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內錐流量計的探討2004年3月(2)

3 內錐流量計的特性

內錐流量計與標準孔板流量計相比有更多的優勢、更廣泛的適用領域。從美國McCrometer公司的技術資料中可以查閱到大量的實驗、標準機構檢定和工業應用的報告及記錄。本文僅在表2中列出我國銀河儀表有限公司在內錐流量計的研制過程中5臺樣表檢定結果的部分數據。該項檢定是由中國航天集團公司第十一研究所計量室完成的,這些數據資料都無疑是對以下各項指標、特性的最好說明。

3.1 測量精度

如果不考慮壓力傳感儀表和二次儀表的誤差,內錐流量計和標準孔板流量計一樣,裝置本身的不確定度都可以達到±0.5%,符合國標對氣體商用計量的要求。

3.2 重復性

    內錐流量計的重復性小于±0.1%。即使在低雷諾數的非線性段,測量重復性也非常好。這意味著可以利用數據處理技術進一步擴展流量計的測量范圍。標準孔板的復現性包括在不確定度里,不單列。

3.3 量程比

內錐流量計的典型單表量程比是10∶1。這項指標比標準孔板流量計的3∶1要寬得多。從表2可以看出它還能夠達到更高的量程比。

                       表2  銀河內錐流量計檢定結果表

計算公式

Q=A+B

D/mm

50.000

50.000

50.000

100.000

200.00

0.452

0.650

0.854

0.850

 

A

0.05994628

-0.01709265

-0.01640338

0.75247742

1.05969451

B

1.71625861

4.04465749

8.60156801

15.08579841

59.88791366

流量/差壓

2.351

1.787

0.544

0.019

3.320

0.151

6.397

0.141

19.914

0.104

3.336

3.634

2.010

0.250

11.567

1.810

18.060

1.325

67.677

1.222

測量值

4.428

6.501

6.976

2.988

19.439

5.098

35.172

5.223

123.031

4.092

5.471

9.942

11.122

7.603

27.437

10.177

47.587

9.553

173.453

8.325

6.593

14.502

14.679

15.063

33.315

15.073

61.366

16.160

233.034

15.078

不確定度

0.30%

0.27%

0.32%

0.47%

0.57%

精度等級

0.5

0.5

0.5

0.5

1.0

量程比

2.8:1

28.8:1

10:1

9.6:1

11.7:1

3.4 節流比系數 (直徑比)

標準內錐裝置的 值取值范圍從0.45到0.85。標準孔板裝置的 值取值范圍從0.20到0.75。內錐裝置的 值在低端不占優勢,這是因為內錐在管道中心節流,而在同樣空隙的條件下,周邊有效面積要比中心的大。例如,當 =0.45時,在孔板裝置中d/D就是0.45;可是在內錐裝置中d/D卻等于0.893,再小于這個空隙就會產生波的干涉現象了。但是從這項指標的另一個方面看,顯然同樣通徑的流量計,內錐節流裝置的流通能力要大出28.4%,而這種優勢是工程上所追求的。

3.5 雷諾數Re

內錐裝置的雷諾數允許范圍為5×103~1×107。對于角接取壓的孔板裝置,當0.20≤ ≤0.45時,要求ReD≥5×103;當 >0.45時,要求ReD≥1×104對于法蘭取壓的孔板裝置,要求ReD≥1.26×106 2D;為了與內錐裝置對照,取 =0.45、D=0.100m,則有ReD≥2.55×104。顯然,內錐裝置在雷諾數的低端有更加寬闊的工作范圍,從而也解釋了為什么內錐流量計的適用領域更廣、量程更寬,尤其是當介質粘度較大,造成雷諾數較低時.

雷諾數的高端,雖然孔板裝置可以達到無窮大,但是對于一般的工廠計量應用來說,1 已經夠了.規范對介質在管道中的最大流速是有限制的,極少會超過這個數值。

3.6 壓力損失

由于內錐裝置不是采用與流向成直角的立面節流,避免了正向沖擊損失,所以造成的永久性壓力損失自然就小。此外,內錐裝置的信號噪聲影響很小(見3.10),其差壓的允許下限值可以更低,這也是減小壓力損失的設計策略之一。從內錐和孔板的壓損公式及其曲線圖(如圖2所示)看,可以定量地得出內錐的壓損是小一點,但差別不大。

         圖2  節流比系數-壓損曲線圖

孔板壓損公式:

內錐壓損公式:

3.7  直管段長度

內錐流量計上游需0~3D的直管段,下游需0~1D的直管段,或者說包括流量計本體在內整個計量段的長度在7D之內;標準孔板流量計上游需10D~36D的直管段,下游需4D~7D的直管段。內錐裝置占絕對優勢。這里舉兩個定量的例子:一個是若內錐節流裝置安裝在距上游兩個異面90°彎頭3D之外,所產生的附加誤差不超過0.12%;第二個是當 =0.5時,若安裝在距上游50%~100%開度的閘閥0D之外,所產生的總計量誤差不超過±0.5%。

在實際應用中,管道內流體的速度幾乎不存在象圖3中B段那樣的理想分布。任何管道都不可避免地要布有如彎頭、閥門、變徑接頭、三通接頭之類的干擾源,從而紊亂流速分布,即如圖3中A段所示那樣,干擾所有的速度式流量計的精度。傳統的解決辦法就是加長流量計前后的直管段或增設靜態整流器。而內錐節流裝置得益于在管道中心布置節流件這種結構,具有自整流作用,在流體流近錐體前,速度分布會朝著平穩流分布的流型變化,所以大大減小了直管段的長度。

            圖3 流速分布示意圖

3.8  易損部件與使用壽命

這一點和孔板流量計一樣,內錐流量計的內部無易損部件,耐用且免維護。除此之外,內錐的迎流面造型是流線型的,不象孔板那樣有個與流束成直角的銳邊,所以它更經得起含有固體顆粒雜質介質的沖擊;其 值的穩定期和標定間隔要比孔板長得多。

3.9  節流區死角

標準孔板節流件是在中心開孔,周圈節流,于是在節流件的底部形成一個死角;尤其是氣體介質中的雜質和凝液就會聚集在這里,特別是當氣體濕度較大時,對測量的影響很大。而內錐這種“通掃”式的結構就解決了這個問題。

3.10  信號噪聲

如同旋渦流量計的工作原理,流束中阻擋物的后側會形成一定頻率的旋渦振蕩。如果這種振蕩頻率足夠小、幅度足夠大,將會對節流裝置的差壓信號造成干擾,影響測量質量。因為內錐裝置在迎流面和背流面都采用具有一定導流角的錐面節流,對壓力場的振蕩幅度有衰減作用,因此它造成的旋渦振蕩噪聲要比孔板的輕得多。前者的信噪比約為1∶0.0014,后者的約為1∶0.003。圖4所示為典型的內錐流量計同孔板流量計的旋渦振蕩信號的比較。

        圖4  旋渦振蕩信號示意圖

3.11 標準化機構認可

標準內錐流量計的這一項指標不如標準孔板流量計。后者幾乎已經獲得全世界范圍標準機構的認可,諸如國際標準化組織、美國氣體協會、中國標準化委員會,等等。內錐流量計的歷史要短一些,目前也獲得一些標準化機構的認可,如加拿大工業部的天然氣密閉管輸交接認可、美國機械工程師協會的制造認可等。

最重要的一點是標準內錐節流裝置的選型計算的認可和公開化還有待于向標準孔板節流裝置看齊。

4 內錐流量計國內應用一例

  牙哈作業區隸屬塔里木油田分公司,裝備有8臺McCrometer公司制造的內錐流量計,從2000年底投產起,一直運行至今。流量計上游的6臺注氣壓縮機裝有利用氣缸參數計算排量的程序,可以估算出天然氣的總流量,兩年多來的比較、分析表明這些流量計的計量結果是令人滿意的。有關的儀表及介質參數列于表3。這批流量計用于監測向地下注天然氣的流量,設計壓力高達52MPa。天然氣在這樣高的壓力下處于稠密氣相狀態,高壓管道又不利于拆卸維護,而且位于高壓氣體壓縮機出口的下游,有明顯的凝液形成,其它種類的流量計很難勝任這項計量工作。

                       表3  注氣內錐流量計參數表

流量計位號

FT-3102

FT-3104

FT-3101

FT-3107

FT-3103

型號

VB04-05

VB04-05

VB04-05

VB04-05

VB03-08

規格

4英寸V-Cone

4英寸V-Cone

4英寸V-Cone

4英寸V-Cone

3英寸V-Cone

介質

   

天然氣

   

工作壓力/MPa

   

44.128

   

工作溫度/℃

   

32.22

   

工作粘度/mPa.s

   

0.0372

   

工作密度/kg·m-3

   

293.43

   

等熵指數

   

1.1692

   

壓縮系數

   

1.0462

   

管道規格/mm

D114.3 17.1

D114.3 17.1

D114.3 17.1

D88.9 15.2

D88.9 15.2

節流比系數

0.5506

0.5506

0.5506

0.5506

0.6029

最大流量/Sm3·d-1

559,660

647,932

559,660

359,660

335,864

最大差壓/Pa

25831

30466

25701

9483

19576


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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