圖1 各種流動(dòng)調(diào)整器
貿(mào)易結(jié)算、節(jié)能減排對(duì)流量?jī)x表準(zhǔn)確度提出了更高的要求，欲使流量?jī)x表保持±0.5%~1%的準(zhǔn)確度，對(duì)絕大多數(shù)流量?jī)x表都需有前約30D后約5D（D管內(nèi)徑）的直管段長(zhǎng)度。在現(xiàn)代工程管徑日益增大的情況下，現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(lái)，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(guò)流量?jī)x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(wàn)t，采用的流量?jī)x表誤差為±2%，則每年將多付近15萬(wàn)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?jī)x表的準(zhǔn)確度。對(duì)工控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，過(guò)去曾認(rèn)為流量?jī)x表只要重復(fù)性好，無(wú)需準(zhǔn)確度高?，F(xiàn)在看來(lái)，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(cè)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(mén)的查處，只得采取過(guò)量供氣，其結(jié)果造成燃燒效率下降，每多供1%的過(guò)氧量就造成5%的過(guò)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?jī)x表的準(zhǔn)確度。
易忽視的重要因素——安裝直管段長(zhǎng)度
流量?jī)x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(chǎng)條件下，大多數(shù)流量?jī)x表都難以達(dá)到這個(gè)準(zhǔn)確度。
對(duì)絕大多數(shù)流量?jī)x表來(lái)說(shuō)（容積式、科式雖可除外，但口徑未超過(guò)0.25m）流速分布對(duì)準(zhǔn)確度有舉足輕重的影響。、國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為此都明確規(guī)定了流量?jī)x表前應(yīng)有30D、后有5D（D為管內(nèi)徑）的直管段長(zhǎng)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(shuō)的準(zhǔn)確度[1]。
但實(shí)際安裝的現(xiàn)場(chǎng)，從工藝角度出發(fā)會(huì)有形形色色的各種阻力件（彎頭、閥門(mén)、變徑管、歧管等），其出口流速分布也是變化莫測(cè)，十分復(fù)雜。從節(jié)約空間的角度考慮，也不可能安排流量?jī)x表有如此長(zhǎng)的直管段長(zhǎng)度。因此，流量?jī)x表在現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)度不足的問(wèn)題長(zhǎng)期被忽視，其原因在于流量?jī)x表即使在現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度達(dá)不到規(guī)程要求所需的長(zhǎng)度，仍會(huì)有輸出，對(duì)一線的儀表工來(lái)說(shuō)，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(wèn)題對(duì)以測(cè)點(diǎn)速來(lái)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(zhǎng)度，才可能具有±3%的準(zhǔn)確度。顯然，在現(xiàn)場(chǎng)是很難滿足的。
圖2 多孔平衡節(jié)流裝置
流動(dòng)調(diào)整器[3]
為解決現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)度不足，又要保持流量?jī)x表具有較高準(zhǔn)確度的問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)化組織封閉管道流量專業(yè)委員會(huì)（ISO TC30）多年來(lái)一直建議采用圖1所示的各類流動(dòng)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(jiǎn)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(zhǎng)，選用需因地制宜。安裝流動(dòng)調(diào)整器可以在直管段長(zhǎng)度達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)，仍可保持流量?jī)x表具有較高的準(zhǔn)確度，但為什么長(zhǎng)期以來(lái)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(zhǎng)度，而安裝前后又要求具有前4~5D；后（調(diào)整器與流量?jī)x表間）3~4D，總共約10D，對(duì)于已經(jīng)“捉襟見(jiàn)肘”的現(xiàn)場(chǎng)直管段長(zhǎng)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(tái)復(fù)合式流動(dòng)調(diào)整器的加工成本不亞于一臺(tái)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(zhǎng)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(duì)稱的后果，無(wú)異于畫(huà)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(kāi)發(fā)新型流量?jī)x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(duì)經(jīng)典式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的安裝直管段長(zhǎng)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(chǎng)很難滿足上述條件，市場(chǎng)呼喚一種對(duì)直管要求不高又能維持較高準(zhǔn)確度的流量?jī)x表。在此背景下，近幾年國(guó)內(nèi)專業(yè)媒體、技術(shù)講座等都大力推薦美國(guó)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(duì)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(zhǎng)度僅需0~3D，對(duì)不少此國(guó)內(nèi)高校及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的測(cè)試[5][6]。測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)有動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為位能的恢復(fù)區(qū)，所形成的漩渦必然會(huì)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(duì)上述缺點(diǎn)，國(guó)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(dòng)調(diào)整器的利弊，由于它本身就需要一定的直管段長(zhǎng)度制約了它的推廣應(yīng)用。在長(zhǎng)期的實(shí)踐過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)縮小流動(dòng)調(diào)整器與節(jié)流件之間的距離，對(duì)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(zhǎng)度。在此理念啟發(fā)下，2002年美國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(shuō)明書(shū)，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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度是2~10D，是要占有現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的需求，天津市潤(rùn)泰自動(dòng)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(zhǎng)度等測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，由天津市潤(rùn)泰自動(dòng)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(shuō)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(mén)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(cè)試介質(zhì)為水，測(cè)試管徑為DN100。
β值的確定：建議β值取0.50~ 0.65之間，β值過(guò)大強(qiáng)度減弱、β值過(guò)大壓損太大。
三種結(jié)構(gòu)性能對(duì)比：在前直管段長(zhǎng)度約為30D的條件下，對(duì)三種結(jié)構(gòu)的多孔節(jié)流裝置針對(duì)流出系數(shù)的重復(fù)性、不確定度、線性度進(jìn)行了對(duì)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(zhǎng)度：將A型整流節(jié)流裝置進(jìn)行三種直管段長(zhǎng)度（30D、5D、2D）測(cè)試，阻力件為90°彎頭測(cè)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(duì)誤差可控制在±1%以內(nèi)；而當(dāng)前直管段長(zhǎng)度達(dá)到5D時(shí)，與基準(zhǔn)流出系數(shù)之間相對(duì)誤差即可小于±0.3%，說(shuō)明其整流效果較好，適用于直管段不長(zhǎng)而又要求較高準(zhǔn)確度的現(xiàn)場(chǎng)。
*壓損：由于流體通過(guò)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(cè)還有待試驗(yàn)證實(shí)。
小結(jié)
近十余年以來(lái)，貿(mào)易結(jié)算，工業(yè)計(jì)量與控制都迫切需要一種對(duì)直管段長(zhǎng)度要求不高而能維持較高準(zhǔn)確度的流量?jī)x表。內(nèi)錐流量計(jì)因此曾風(fēng)光一時(shí)，但無(wú)序的急于推廣，不分場(chǎng)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(pán)否定。目前國(guó)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(cè)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(guó)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域與國(guó)外尚有差距。改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)內(nèi)不少代理商將*產(chǎn)品、*技術(shù)介紹到國(guó)內(nèi)，的確起到一些推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的作用，但是國(guó)外的產(chǎn)品在壟斷的情況下，價(jià)格都過(guò)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(guó)外的*技術(shù)，并通過(guò)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，就會(huì)發(fā)現(xiàn)不少國(guó)外產(chǎn)品也并非，*可以著手改進(jìn)，創(chuàng)立具有我國(guó)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品。
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