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為什么流量?jì)x表現場(chǎng)準確度低于校驗?

發(fā)布時(shí)間:2013-09-03 11:48:38點(diǎn)擊數:2170次

影響流量?jì)x表準確度的主要因素排除流量?jì)x表原理與結構自身的原因,影響其準確度的外在因素主要歸結為以下三個(gè)方面:

流體的物性在試驗中常用的介質(zhì)為水、空氣及油品。而在現場(chǎng)應用中面臨的將是數以萬(wàn)計的各種流體,其物性(如密度、黏度、電導體、導熱系數,聲速、成分……)均不同于在試驗中常用的介質(zhì),將或多或少地影響流量?jì)x表的準確度。但這些流體的物性可以通過(guò)一些工程手冊查到,并給予修正以減輕其影響。這也是流量?jì)x表智能化的一項重要內容。

流體的性狀在現場(chǎng)通過(guò)流量?jì)x表的流體不可能如實(shí)驗室所用流體那么潔凈,它們可能會(huì )有沉淀物,有腐蝕性。使用一段時(shí)間后,還會(huì )在管邊檢測件上產(chǎn)生積垢、磨損、腐蝕。在管壁上的沉淀物將改變管道的壁厚及粗糙度。對標準孔板而言會(huì )改變β值,造成±3~10%的誤差;對渦輪、轉子、容積式流量計的運動(dòng)件造成磨損、腐蝕,輕則產(chǎn)生誤差,重則無(wú)法工作;對電磁流量計的電極、超聲流量計的換能器、熱式流量計的熱電阻的污染會(huì )降低其靈敏度,增大誤差;對差壓式流量計取壓孔的造成阻塞,等等。當然這個(gè)過(guò)程是緩慢的,但絕不能掉以輕心。而只要重視定期維修并形成制度也可以減輕其影響。

流體的性狀在現場(chǎng)通過(guò)流量?jì)x表的流體不可能如實(shí)驗室所用流體那么潔凈,它們可能會(huì )有沉淀物,有腐蝕性。使用一段時(shí)間后,還會(huì )在管邊檢測件上產(chǎn)生積垢、磨損、腐蝕。在管壁上的沉淀物將改變管道的壁厚及粗糙度。對標準孔板而言會(huì )改變β值,造成±3~10%的誤差;對渦輪、轉子、容積式流量計的運動(dòng)件造成磨損、腐蝕,輕則產(chǎn)生誤差,重則無(wú)法工作;對電磁流量計的電極、超聲流量計的換能器、熱式流量計的熱電阻的污染會(huì )降低其靈敏度,增大誤差;對差壓式流量計取壓孔的造成阻塞,等等。當然這個(gè)過(guò)程是緩慢的,但絕不能掉以輕心。而只要重視定期維修并形成制度也可以減輕其影響。

流動(dòng)的特性在實(shí)驗室中,流量?jì)x表應處于較為理想的流動(dòng)狀態(tài)中,它應是:牛頓流體:在流程工業(yè)中,除食品工業(yè)多為牛頓流體。定常流:測量管段中流量不隨時(shí)間變化的一種流動(dòng)狀態(tài),但有緩慢的變化是允許的,在工業(yè)中所說(shuō)的脈動(dòng)流即非定常流。在工業(yè)現場(chǎng)中由于泵、壓氣機、鼓風(fēng)機、某些調節器、閥門(mén)的振蕩都將產(chǎn)生脈動(dòng)流,它將給流量?jì)x表帶來(lái)較大的誤差。早在1956年head就提出了這個(gè)問(wèn)題,并提出了脈動(dòng)系數ip的概念,以界定脈動(dòng)流對流量測量的影響,并認為當ip小于0.03時(shí)就可以視為定常流;大于0.03就應給予重視。1989年,mottram和sproston就指出了脈動(dòng)流會(huì )給流量?jì)x表帶來(lái)誤差,這種影響對差壓式流量?jì)x表尤為嚴重。其他如:對渦輪流量計脈動(dòng)流會(huì )引起轉子轉速的變化;對渦街流量計如脈動(dòng)的頻率與渦街頻率相近,將產(chǎn)生所謂“同步現象”,也會(huì )產(chǎn)生很大的誤差。對流體而言,氣體的可壓縮性?xún)?yōu)于液體,脈動(dòng)流在流動(dòng)中將很快被衰減,對流量?jì)x表的影響將小于液體。人們關(guān)注脈動(dòng)流對流量?jì)x表的影響已近60年,雖然也開(kāi)展了許多研究力圖進(jìn)行修正,但至今尚缺乏足夠的數據。當前常用的方法是在管道中采用濾波器來(lái)消除它的影響。單相流體:流量?jì)x表在單相或者多相流體的測量結果有很大的差異,本文只討論單相流量?jì)x表的測量,流量?jì)x表也僅是在單相流量實(shí)驗室進(jìn)行校驗,而在現場(chǎng)應用中,將不可避免地會(huì )遇到多相流體的問(wèn)題。在流程工程中,由于流體流經(jīng)各種阻力件,將不可避免地產(chǎn)生摩阻、分離,以及由于截面的變化、壓力的下降,使溶于液相中的氣相分離出來(lái)產(chǎn)生空穴,對于節流裝置來(lái)說(shuō)由于孔板的流動(dòng)變化較為劇烈產(chǎn)生空穴的機率將為文丘利管的8倍,道爾管的三倍,空穴的產(chǎn)生如能限制在一定范圍內,所產(chǎn)生測量誤差可高達20%,如果失控發(fā)展太大,將可能損壞儀表。對于氣固,及液固兩相流來(lái)說(shuō),對于流量?jì)x表的測量也將帶來(lái)較大的誤差及危害,這些已在上節流體的性狀中有所表述,不再贅述。避免的方法,是盡可能地將流量?jì)x表安裝在垂直的管道上方,以避開(kāi)固相的沉積。充分發(fā)展紊流:眾所周知,管道中的流速分布影響了絕大部分原理流量?jì)x表的準確度,所以isotc30規定流量?jì)x表要保持較高的準確度必需安裝在充分發(fā)展紊流中,當然流量實(shí)驗室也應具有充分發(fā)展紊流,這樣校驗的流量系數才有意義。一般來(lái)說(shuō),只要具備了30d的直管段長(cháng)度就可獲得充分發(fā)展紊流。但是在工程日益現代化、大型化的趨勢下,工程中管徑日益增大,工藝設計從節約場(chǎng)地出發(fā)從未考慮流量?jì)x表維持較高準確度所必需的直管段長(cháng)度,且現場(chǎng)的阻力件品種成千上萬(wàn),組合形形色色,管道中的流速分布十分復雜,在試驗室理想條件下所校驗的流量系數,由于流場(chǎng)差異,不可能無(wú)誤地傳遞給現場(chǎng)的流量?jì)x表,因此難以得到較高的準確度。上述討論了影響流量?jì)x表準確度的因素如流體的物性、性狀和流動(dòng)特性,都可修正或采取一定措施減輕或消除其影響,唯獨流速分布很難解決,因為工藝設計不可能照顧到流量?jì)x表所需的直管段長(cháng)度,以下討論幾種典型阻力件對流量?jì)x表的影響。阻力件對流量測量準確度的影響

彎頭在工藝流程中,為改變方向或高度常采用彎頭,是最常見(jiàn)的一種管道阻力件,無(wú)論是充分發(fā)展紊流或“自由流動(dòng)”通過(guò)彎頭后,流動(dòng)都將變得較為復雜,流速分布不再對稱(chēng)于軸心,且伴有漩渦,對流量測量準確度的影響主要取決于彎頭的曲率半徑及流速的大小。當流體流經(jīng)彎管時(shí),將發(fā)生離心力,外壁壓力增大流速下降;內壁壓力減小流速上升,而自彎頭流向直管時(shí),流動(dòng)的效應相反,外側流速加大,內側流速減小,同時(shí)由于流體流動(dòng)的慣性,在內側將產(chǎn)生較大的漩渦區,外側形成較小的漩渦區。

當彎頭曲率半徑減小,或管徑增大時(shí),分離的效應將增強,在彎頭1/3處,流動(dòng)加劇惡化,但在流體粘性的作用下,漩渦將逐漸弱化,流速分布將趨于均衡,約10d后基本改善流動(dòng)情況。因而,在單彎頭后10d之內,不宜安裝流量?jì)x表。多彎頭組合:上述情況是單彎頭前為充分發(fā)展紊流,在工業(yè)現場(chǎng)是很少見(jiàn)的。常見(jiàn)的是多個(gè)彎頭或彎頭與其他阻力件的組合,所以?xún)H做幾個(gè)單頭試驗遠遠不能解決非充分發(fā)展紊流的問(wèn)題。這種復雜的組合,加大了二次流、漩渦及離心力的強度,流動(dòng)會(huì )更加惡化,管道越大改善越困難。據專(zhuān)業(yè)人士估計,直管段長(cháng)度至少應大于20d,否則準確度很難達到5%。加大彎頭之間的間距有可能弱化相互的影響,專(zhuān)業(yè)人士建議,二個(gè)彎頭之間的距離不應小于5d。

變徑管為了改變工藝管道的口徑通常采用變徑管,主要有擴管及縮管兩種形式。長(cháng)期以來(lái)它對流場(chǎng)的影響一視同仁,未加區別(如美國apiansi1991-1999)。但筆者認為,縮管如果處理適當不僅不至于破壞流場(chǎng),而且可以消除漩渦、改善流場(chǎng),現對以下兩種情況進(jìn)行討論:突變管:即管徑的改變沒(méi)有過(guò)渡,突然地擴大或突然縮小,都將產(chǎn)生漩渦,破壞流場(chǎng),管徑變化越大,破壞性越強。

漸變管:一是漸擴管,流體通過(guò)漸擴管是一個(gè)動(dòng)能轉化為位能的過(guò)程,如擴張角不超過(guò)10°,這個(gè)轉變是漸變穩定的,流體不會(huì )分離,也不會(huì )產(chǎn)生較大壓損,如文丘利的擴張段。但工藝上往往不允許有如此長(cháng)的擴張段,特別是當管徑較大時(shí),尤為突出;二是漸縮管,流體通過(guò)漸縮管是一個(gè)位能轉變?yōu)閯?dòng)能的過(guò)程,較易實(shí)現。以致收縮角大至60°都不會(huì )產(chǎn)生分離,而且還會(huì )消除漩渦改善流場(chǎng),不少廠(chǎng)家已認識到這點(diǎn),并利用它作為一種成本低、效率高的整流器,如文丘利渦街流量計、艾伯特流量計,美國康樂(lè )創(chuàng )的氣體超聲波流量計,等等。據資料,上述后者對流量?jì)x表準確度的影響將較前者可大到約20倍。

閥門(mén)在流程工業(yè)中通常采用閥門(mén)來(lái)改變流量的大小。閥門(mén)的形式多樣,是一個(gè)較復雜的阻力件,不僅給流動(dòng)帶來(lái)漩渦,而且惡化流速分布。相當多的閥門(mén)在使用中都不是處于全開(kāi)的狀況,開(kāi)度越小,惡化流場(chǎng)越嚴重。而且,在流體的控制中閥門(mén)往往作為一個(gè)降壓裝置,使流體產(chǎn)生壓損,壓力急劇下降,還容易產(chǎn)生空穴,進(jìn)一步增加流量?jì)x表的誤差及危害。

鑒于上述原因,在工藝布局上,應盡可能地將閥門(mén)安排在流量?jì)x表的下游;如必需安排在上游,則流量?jì)x表距離閥門(mén)至少應有5d以上的直管段長(cháng)度,如無(wú)法保證,則可將閥門(mén)安排在管道的旁路上,而在安裝流量?jì)x表的主管道上游安裝一個(gè)干擾較小的球閥或梭式閥。專(zhuān)業(yè)人士特別提醒要小心地安排流量?jì)x表與閥門(mén)之間的相對位置,否則會(huì )引起無(wú)法容忍的測量誤差。

歧管在流程工業(yè)中,如從主管道流出一部分流體或有一部分流體從外流入主管道都要采用歧管。一般來(lái)說(shuō)前者對流場(chǎng)的影響將小于后者,當然這種影響還取決流入或流出流體的流量與主管道流量的比例,比例越小影響也越小。當流體從歧管流入主管道時(shí)往往不可避免地和主管道的流動(dòng)產(chǎn)生漩渦并惡化流速分布,直到兩種流體完全混合為止。如必需確保流量準確度,流量?jì)x表應盡量避開(kāi)歧管,或加長(cháng)上游直管段長(cháng)度。上述介紹僅為幾種典型的阻力件,在現場(chǎng)應用中,形形色色的阻力件會(huì )根據工藝要求,以各種方式組合起來(lái),形成各種流動(dòng)形式,對流量?jì)x表的影響,也很難通過(guò)試驗來(lái)加以規范修正。當前國際標準化組織還是建議采用整流器,以便在不長(cháng)的直管段長(cháng)度獲得較為理想的流場(chǎng),讓流量?jì)x表保持較高準確度。意猶未盡之語(yǔ)

流速分布的影響本文分析了流量?jì)x表在現場(chǎng)應用時(shí)受制于工藝條件。不可能處實(shí)驗室那樣的理想條件,所帶來(lái)的誤差,其中有些影響因素是可以通過(guò)修正減弱或消除,而有些則不可能,如面對萬(wàn)千種阻力件及其結合所帶來(lái)的復雜流場(chǎng),它們難以通過(guò)實(shí)驗室模擬重現,無(wú)法修正,而它們卻又是影響流量?jì)x表(特別是曾占流量?jì)x表市場(chǎng)中大部分的經(jīng)典式節流裝置)提高準確度最大的障礙。

流動(dòng)調整器的作用為了改善流動(dòng)狀態(tài),國際標準化組織isotc30,一直推薦采用流動(dòng)調整器,類(lèi)型多達幾十種,但并未見(jiàn)成效。問(wèn)題不僅是增加成本及安裝維護量,而它本身就有一定的長(cháng)度,而在安裝上它還要求距阻力件及流量?jì)x表各約4~5d,總計約10d,對于中小口徑來(lái)說(shuō)可能不成問(wèn)題,而在工程規模日益增大的趨勢下,現場(chǎng)就無(wú)能為力、難以提供。因此,采用流動(dòng)調整器并非上策。一而再地提出也談不上有什么深遠意義。

勇于創(chuàng )新,另辟新徑在流量?jì)x表家族中,經(jīng)典式節流裝置使用時(shí)間最長(cháng),裝機量曾幾乎占60%以上,且積累了大量的試驗數據……雖然優(yōu)點(diǎn)多多,但無(wú)法面對直管段不足,準確度下降的矛盾。只能是無(wú)可奈何花落去了,這是不以人的意志為轉移的形勢的要求,近十年來(lái)國內外,涌現了不少新型的節流裝置。它們的共同特點(diǎn)就是上游直管段長(cháng)度只要求2~5d。即可保持±0.5~1%的準確度。當然它還稚嫩,這是一個(gè)新生事物都會(huì )遇到的問(wèn)題,難道孔板的發(fā)展初期不也是這樣嗎?

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