圖1 各種流動調(diào)整器
貿(mào)易結(jié)算、節(jié)能減排對流量儀表準(zhǔn)確度提出了更高的要求,欲使流量儀表保持±0.5%~1%的準(zhǔn)確度,對絕大多數(shù)流量儀表都需有前約30D后約5D(D管內(nèi)徑)的直管段長度。在現(xiàn)代工程管徑日益增大的情況下,現(xiàn)場很難滿足這個(gè)要求,如何解決這個(gè)矛盾?本文介紹了流動調(diào)整器、內(nèi)錐流量計(jì)以及多孔平衡式、多孔整流式節(jié)流裝置,供讀者參考。
近一、二十年以來,在貿(mào)易化的背景下,經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中不少物質(zhì)是通過流量儀表的計(jì)量進(jìn)行核算的,買賣雙方都不愿意承擔(dān)因流量計(jì)量的誤差所造成的經(jīng)濟(jì)損失。以價(jià)廉的水為例,如果一個(gè)企業(yè)每日用水1萬t,采用的流量儀表誤差為±2%,則每年將多付近15萬元水費(fèi)(2%×365×10000/天×2元 /噸=146000);如果是天然氣、石油等昂貴的物質(zhì),損失將更突出,因而迫切需要提高流量儀表的準(zhǔn)確度。對工控系統(tǒng)來說,過去曾認(rèn)為流量儀表只要重復(fù)性好,無需準(zhǔn)確度高?,F(xiàn)在看來,這種觀點(diǎn)已不能適應(yīng)新的要求,如火電廠,由于不能準(zhǔn)確地測量進(jìn)風(fēng)量,為保證鍋爐爐膛不因缺氧造成燃燒不*而污染空氣引起環(huán)保部門的查處,只得采取過量供氣,其結(jié)果造成燃燒效率下降,每多供1%的過氧量就造成5%的過量空氣被加熱,造成了燃料、風(fēng)機(jī)電能的浪費(fèi),從節(jié)能降耗角度出發(fā)也急待提高流量儀表的準(zhǔn)確度。
易忽視的重要因素——安裝直管段長度
流量儀表的生產(chǎn)廠家在技術(shù)文件中都注明了準(zhǔn)確度,它應(yīng)是在試驗(yàn)室經(jīng)嚴(yán)格的程序標(biāo)定后確定的,但在現(xiàn)場條件下,大多數(shù)流量儀表都難以達(dá)到這個(gè)準(zhǔn)確度。
對絕大多數(shù)流量儀表來說(容積式、科式雖可除外,但口徑未超過0.25m)流速分布對準(zhǔn)確度有舉足輕重的影響。、國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為此都明確規(guī)定了流量儀表前應(yīng)有30D、后有5D(D為管內(nèi)徑)的直管段長度,只有這樣,管內(nèi)的流速分布才能達(dá)到充分發(fā)展紊流,具有確定的分布規(guī)律,采用在試驗(yàn)室標(biāo)定的流量系數(shù),才可保證達(dá)到廠家所說的準(zhǔn)確度[1]。
但實(shí)際安裝的現(xiàn)場,從工藝角度出發(fā)會有形形色色的各種阻力件(彎頭、閥門、變徑管、歧管等),其出口流速分布也是變化莫測,十分復(fù)雜。從節(jié)約空間的角度考慮,也不可能安排流量儀表有如此長的直管段長度。因此,流量儀表在現(xiàn)場應(yīng)用中所達(dá)到的準(zhǔn)確度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廠家提供的數(shù)據(jù)。
但是,直管段長度不足的問題長期被忽視,其原因在于流量儀表即使在現(xiàn)場直管段長度達(dá)不到規(guī)程要求所需的長度,仍會有輸出,對一線的儀表工來說,儀表工作看似仍在“正常”工作,只是與必要的準(zhǔn)確度相距甚遠(yuǎn)。這個(gè)問題對以測點(diǎn)速來推算流量的儀表(如雙文丘利、插入式渦街、渦輪、熱式)尤為突出,這類儀表的標(biāo)準(zhǔn)ISO07145[2],規(guī)定前直管段應(yīng)具有30~50D的長度,才可能具有±3%的準(zhǔn)確度。顯然,在現(xiàn)場是很難滿足的。
圖2 多孔平衡節(jié)流裝置
流動調(diào)整器[3]
為解決現(xiàn)場直管段長度不足,又要保持流量儀表具有較高準(zhǔn)確度的問題,標(biāo)準(zhǔn)化組織封閉管道流量專業(yè)委員會(ISO TC30)多年來一直建議采用圖1所示的各類流動調(diào)整器(flow conditioners),管束(AGA/ASME、ISO、AGA、ASME等)、板孔(Mitsabishi)及組合式(Zanker、 Sprenkle)。其中,組合式效果雖好,壓損卻數(shù)倍于前兩種;而板孔結(jié)構(gòu)簡單,易于加工、安裝、壓損也較低、發(fā)展?jié)摿^大。以上三類各有所長,選用需因地制宜。安裝流動調(diào)整器可以在直管段長度達(dá)不到規(guī)范要求時(shí),仍可保持流量儀表具有較高的準(zhǔn)確度,但為什么長期以來并未得到預(yù)期的推廣應(yīng)用?原因不僅在于增加了成本及維護(hù)工作量,還在于如圖1所示的管束結(jié)構(gòu),它本身就要求具有2~4D(D管內(nèi)徑)長度,而安裝前后又要求具有前4~5D;后(調(diào)整器與流量儀表間)3~4D,總共約10D,對于已經(jīng)“捉襟見肘”的現(xiàn)場直管段長度而言很不現(xiàn)實(shí),難以實(shí)現(xiàn)。其次還有以下缺點(diǎn):a.增加了成本,一臺復(fù)合式流動調(diào)整器的加工成本不亞于一臺節(jié)流裝置;b.增加了安裝、維修工作量,若流體中含有粉塵,或固相物、凝析物,長期使用又得不到及時(shí)清洗,將沉積在水平調(diào)整器的下方,其結(jié)果反倒造成了速度分布不對稱的后果,無異于畫蛇添足。c.造成額外的壓力損失。鑒于上述種種原因,雖經(jīng)ISOTC30多年推薦,并未得到工程界廣泛地認(rèn)同。但是,它所取得的整流效果,還是啟發(fā)了業(yè)界的有志之士,為以后開發(fā)新型流量儀表提供了依據(jù)。
內(nèi)錐式流量計(jì)
數(shù)年前,ISOTC30公布了ISO5167新標(biāo)準(zhǔn),對經(jīng)典式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的安裝直管段長度提出了更詳細(xì)、更苛刻的要求,雖然標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在滿足要求的情況下不用單獨(dú)標(biāo)定,流出系數(shù)就可達(dá)到很高的不確定度(如標(biāo)準(zhǔn)孔板為0.5%)但是現(xiàn)場很難滿足上述條件,市場呼喚一種對直管要求不高又能維持較高準(zhǔn)確度的流量儀表。在此背景下,近幾年國內(nèi)專業(yè)媒體、技術(shù)講座等都大力推薦美國McCROMETER公司于1986年推出的內(nèi)錐式流量計(jì),其環(huán)形收縮通道確有較好的整流效果[4]。工程應(yīng)用表明,也確對直管段要求不高,而又能維持較高的準(zhǔn)確度。但并非宣傳的那樣,前直管段長度僅需0~3D,對不少此國內(nèi)高校及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的測試[5][6]。測試表明,當(dāng)β值小于0.6時(shí),流量計(jì)準(zhǔn)確度可維持±1%,前直管段長度仍需3~5D;如為了減少*壓損,令 β值加大到0.85時(shí),整流效果很差,前直管段長度應(yīng)加大至10D以上。
內(nèi)錐與管壁所形成的逐漸收縮的環(huán)形通道的確有整流效果應(yīng)該充分肯定。但也存在以下不足:a○單臂懸掛節(jié)流件內(nèi)錐已為事實(shí)證明,確實(shí)存在安全隱患,造成了重大事故;b○低壓取壓點(diǎn)位于內(nèi)錐后方漩渦區(qū),粉塵、污物易堵塞低壓引壓管;c○內(nèi)錐后沒有動壓轉(zhuǎn)換為位能的恢復(fù)區(qū),所形成的漩渦必然會產(chǎn)生較大的壓損,在β值較小時(shí),其壓力損失僅次于孔板。
圖3 多孔整流節(jié)流裝置
針對上述缺點(diǎn),國內(nèi)先后推出了基于這種原理,而結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的新型節(jié)流裝置,如:槽道、梭式、雙錐式等[6]。但宣傳力度遠(yuǎn)不及內(nèi)錐,推廣應(yīng)用尚待時(shí)日。
多孔平衡節(jié)流裝置
本文前面已闡述了采用流動調(diào)整器的利弊,由于它本身就需要一定的直管段長度制約了它的推廣應(yīng)用。在長期的實(shí)踐過程中,人們發(fā)現(xiàn)縮小流動調(diào)整器與節(jié)流件之間的距離,對其整流效果影響不大,zui終推出了將整流器與節(jié)流件合二為一,即直接將整流器作為節(jié)流件的新型節(jié)流裝置,這么做不僅節(jié)約了成本,還解決了已很局促的直管段長度。在此理念啟發(fā)下,2002年美國Rosemount公司首先按類似AGA/ASME的四管整流器推出了四孔孔板(圖2a),據(jù)稱可以將直管段長度縮短至2D,仍可維持±1%的準(zhǔn)確度。
在此基礎(chǔ)上,2004年美國A+ Flowtek公司又推出了17孔的多孔孔板(圖2b)[7],這17個(gè)孔分為三組,中心的一個(gè)孔孔徑zui大,其余16孔分為二組,每組8孔,其圓心分處于 2個(gè)不同的直徑上,中間的8孔孔徑次之,外圍的孔徑zui小。A+Flowtek公司稱其為Balanced Flowmeter,譯為平衡流量計(jì),據(jù)其說明書,相關(guān)技術(shù)參數(shù)為:準(zhǔn)確度±0.5%;直管段要求,前0.5D、后0.5D;量程比,10:1;壓力損失,ΔPe/ΔP為30%。
對于以上這些技術(shù)參數(shù)是否如廠商宣傳的那么值得商榷,也有待實(shí)踐證實(shí)。特別有關(guān)所需直管長度的表述,行業(yè)中一般確定為自節(jié)流件前端面(即多孔孔板)至上游阻力件出口的距離為前直管段長度,而多孔平衡流量計(jì)是由多孔孔板與短管組合成一個(gè)整體供貨的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量計(jì)進(jìn)口法蘭與阻力件之間的距離,平衡流量計(jì)的短管長度是2~10D,是要占有現(xiàn)場直管段的,如此表述誤導(dǎo)用戶。
多孔整流式節(jié)流裝置
基于技術(shù)的發(fā)展及市場的需求,天津市潤泰自動化儀表有限公司自行研發(fā)了多孔整流式節(jié)流裝置,并在第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了流出系數(shù)、前直管段長度等測試,測試數(shù)據(jù)表明,由天津市潤泰自動化儀表有限公司研發(fā)的多孔整流式節(jié)流裝置,在直管段較短情況下,具有較好的整流效果,值得推廣,現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)及相關(guān)說明分述如下:
本裝置的節(jié)流件是一個(gè)按一定規(guī)律布局的多孔孔板,其功能除節(jié)流外,還具有整流功能,故按其主要功能命名為多孔整流式節(jié)流裝置。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備:為某航天部門的水流量實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)設(shè)備流量不確定度為0.05%,差壓變送器準(zhǔn)確度為0.075%,測試介質(zhì)為水,測試管徑為DN100。
β值的確定:建議β值取0.50~ 0.65之間,β值過大強(qiáng)度減弱、β值過大壓損太大。
三種結(jié)構(gòu)性能對比:在前直管段長度約為30D的條件下,對三種結(jié)構(gòu)的多孔節(jié)流裝置針對流出系數(shù)的重復(fù)性、不確定度、線性度進(jìn)行了對比,數(shù)據(jù)表明A型(圖3a)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于B型(圖2b)及C型(圖3b)。
前直管段長度:將A型整流節(jié)流裝置進(jìn)行三種直管段長度(30D、5D、2D)測試,阻力件為90°彎頭測試的數(shù)據(jù)表明,A型節(jié)流件在前直管段僅2D 時(shí),流出系數(shù)與基準(zhǔn)(30D)的流出系數(shù)之間的相對誤差可控制在±1%以內(nèi);而當(dāng)前直管段長度達(dá)到5D時(shí),與基準(zhǔn)流出系數(shù)之間相對誤差即可小于±0.3%,說明其整流效果較好,適用于直管段不長而又要求較高準(zhǔn)確度的現(xiàn)場。
*壓損:由于流體通過多孔節(jié)流裝置后不至于形成大漩渦而造成較大的*壓損,在相同的β值條件下,應(yīng)小于孔板,而大于文丘里,這個(gè)預(yù)測還有待試驗(yàn)證實(shí)。
小結(jié)
近十余年以來,貿(mào)易結(jié)算,工業(yè)計(jì)量與控制都迫切需要一種對直管段長度要求不高而能維持較高準(zhǔn)確度的流量儀表。內(nèi)錐流量計(jì)因此曾風(fēng)光一時(shí),但無序的急于推廣,不分場合的非理性選用,已造成了嚴(yán)重事故,應(yīng)吸取教訓(xùn),但不宜全盤否定。目前國內(nèi)外推出的多孔節(jié)流裝置,在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于內(nèi)錐,經(jīng)測試其數(shù)據(jù)也表明了較*的性能,值得逐步推廣應(yīng)用。
應(yīng)該承認(rèn),我國在工業(yè)自動化領(lǐng)域與國外尚有差距。改革開放以來,國內(nèi)不少代理商將*產(chǎn)品、*技術(shù)介紹到國內(nèi),的確起到一些推動技術(shù)進(jìn)步的作用,但是國外的產(chǎn)品在壟斷的情況下,價(jià)格都過于昂貴。為打破這一局面,不能滿足于代理而應(yīng)立足于自行生產(chǎn)。而生產(chǎn)又不能局限于仿制(內(nèi)錐流量計(jì)應(yīng)是一個(gè)教訓(xùn)),在認(rèn)真學(xué)習(xí)了國外的*技術(shù),并通過應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,就會發(fā)現(xiàn)不少國外產(chǎn)品也并非,*可以著手改進(jìn),創(chuàng)立具有我國獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品。