鄭丹丹,唐興華,張 濤
(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院天津市過(guò)程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;2. 中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司,天津 300452)
渦街流量計(jì)是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量?jī)x表,以其對(duì)流體物性變化的不敏感性、高可靠性和高精度等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng).自20世紀(jì) 60年代末誕生以來(lái),渦街流量計(jì)發(fā)展迅速,國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)旋渦發(fā)生體形狀[1-4]、信號(hào)檢測(cè)方式[5-7]以及數(shù)字信號(hào)處理方法[8-10]等方面展開(kāi)了大量研究工作,并取得了顯著成果.隨著渦街流量計(jì)的推廣和使用,其安裝影響越來(lái)越受到人們的重視,安裝環(huán)境、使用條件對(duì)其測(cè)量精度的影響成為需要關(guān)注的問(wèn)題.
英國(guó) Surrey大學(xué)和英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)上游安裝單 90°彎頭、半開(kāi)閘閥、不同平面的 2個(gè) 90°彎頭 3種阻流件情況分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[11],討論渦街流量計(jì)安裝在其下游的測(cè)量精度.日本國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院的Takamto等[12]通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)4種不同形狀的旋渦發(fā)生體在 6種阻流件安裝條件下的測(cè)量性能進(jìn)行研究,通過(guò)分析每種阻流件情況下儀表系數(shù)的相對(duì)誤差,最終給出了安裝每種阻流件時(shí)保證渦街流量計(jì)測(cè)量精度所需的最短上游直管段長(zhǎng)度,但對(duì)后直管段長(zhǎng)度并未提及.此外,我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 9249—1999)中對(duì)渦街流量計(jì)在不同阻流件情況下的前后直管段長(zhǎng)度也作了相應(yīng)規(guī)定,但是規(guī)定中所推薦的直管段均較長(zhǎng),一般渦街流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件根本無(wú)法滿足.而國(guó)外文章中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否具有普適性,能否直接拿來(lái)使用值得推敲.目前國(guó)內(nèi)針對(duì)渦街流量計(jì)安裝使用條件的實(shí)驗(yàn)研究鮮見(jiàn)報(bào)道.本文針對(duì)100,mm口徑的渦街流量計(jì)開(kāi)展了基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單 90°彎頭和全開(kāi)閘閥影響的實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、線性度和重復(fù)性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),最終給出了上游單彎頭、全開(kāi)閘閥條件下渦街流量計(jì)安裝的前后直管段長(zhǎng)度建議.
實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)天津市過(guò)程參數(shù)檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成的,實(shí)驗(yàn)管徑100,mm,圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意.水泵連續(xù)將水池里的水送入高位水塔,水塔通過(guò)溢流來(lái)保持水壓的恒定.實(shí)驗(yàn)時(shí),水從水塔的下水管引入到實(shí)驗(yàn)管道,依次流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)渦街流量計(jì),最后回到水池,通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行流量調(diào)節(jié).實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理.水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置精度可達(dá)0.1%.
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為橫河 DY100-EBLBA1-2D一體型渦街流量計(jì),口徑 100,mm.該樣機(jī)最大特點(diǎn)是采用了基于頻譜分析的數(shù)字信號(hào)處理方法,保證了在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)具有較高精度.可測(cè)流量范圍 7.5~248,m3/h,精度可達(dá) 1%.但是,受實(shí)驗(yàn)裝置所能提供的流量范圍限制,最小流量只能做到10 m3/h,最大流量可以達(dá)到 200,m3/h.由于管道改造后壓損增大,最終流量上限只能達(dá)到 150,m3/h左右,所以進(jìn)行實(shí)流實(shí)驗(yàn)測(cè)試的流量范圍為10~150,m3/h.
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Scheme of the facility
表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design
表1給出了此次研究的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),共進(jìn)行基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、上游單彎頭和全開(kāi)閘閥 3大類共 23組實(shí)流實(shí)驗(yàn),均在圖 1所示的實(shí)驗(yàn)段 X處進(jìn)行.其中,基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是所有阻流件實(shí)驗(yàn)的參考基準(zhǔn),即認(rèn)為渦街流量計(jì)入口為充分發(fā)展湍流流動(dòng),為其最佳使用條件,此時(shí)渦街流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度為 100D(D為管道直徑,D=100,mm),后直管段長(zhǎng)度為10,D.對(duì)于單彎頭和全開(kāi)閘閥的實(shí)驗(yàn)需要對(duì)裝置進(jìn)行改造后才能進(jìn)行,圖2所示為彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件的連接示意.
圖2 彎頭和閘閥實(shí)驗(yàn)管道及組件連接示意Fig.2 Component connection diagram of single bend and gate valve
通過(guò)不同管道組件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同前后直管段長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn).如表 1所示,彎頭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前直管段分別為 1,D、3,D、5,D、10,D、15,D、20,D,后直管段為3,D、5,D共 12組實(shí)驗(yàn),后直管段下游安裝一個(gè)全開(kāi)閘閥,作為后直管段長(zhǎng)度的結(jié)束.同理,全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 5種前直管段長(zhǎng)度、2種后直管段長(zhǎng)度共 10組實(shí)驗(yàn).與彎頭實(shí)驗(yàn)不同的是,為了消除閘閥上游阻流件(彎頭)對(duì)流場(chǎng)的影響,在實(shí)驗(yàn)段 X上游設(shè)置了30,D長(zhǎng)的直管段,這樣保證了與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)比較的差異均由閘閥安裝引起.圖 3和圖 4分別為彎頭實(shí)驗(yàn)前直管段 20,D、后直管段 3,D安裝條件時(shí)和全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)前直管段 15,D、后直管段 5,D安裝條件時(shí)的管道現(xiàn)場(chǎng)安裝示意.
圖3 彎頭實(shí)驗(yàn)管道安裝示意(前直管段20D,后直管段3D)Fig.3 Pipe diagram of bend test(upstream pipe 20D,downstream pipe 3D)
圖4 全開(kāi)閘閥實(shí)驗(yàn)管道安裝示意(前直管段15D,后直管段5D)Fig.4 Pipe diagram of fully open gate valve(upstream pipe 15D,downstream pipe 5D)
根據(jù)渦街流量計(jì)檢定規(guī)程(JJG 1029—2007),當(dāng)其安裝滿足充分發(fā)展的前后直管段要求時(shí),評(píng)價(jià)渦街流量計(jì)測(cè)量精度的指標(biāo)有量程比、線性度等.針對(duì)本文所討論的上游存在阻流件且前后直管段改變的情況,評(píng)價(jià)指標(biāo)包括平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)線性度和重復(fù)性.
每個(gè)流量檢定點(diǎn),在第 i次檢定時(shí)間內(nèi),渦街流量計(jì)輸出脈沖數(shù)為 Ni,流經(jīng)渦街流量計(jì)的體積流量為Vi,則該流量點(diǎn)下第i次檢定的儀表系數(shù)為
整個(gè)流量范圍內(nèi),共檢定m個(gè)流量點(diǎn),則渦街流量計(jì)平均儀表系數(shù)為
2) 線性度δ1
3) 重復(fù)性2maxδ
每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性為
m個(gè)流量點(diǎn)中2δ的最大值2maxδ即為渦街流量計(jì)的重復(fù)性.
根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置所能達(dá)到的最寬流量范圍,進(jìn)行了單彎頭和全開(kāi)閘閥的實(shí)流實(shí)驗(yàn).圖 5和圖 6分別為彎頭實(shí)驗(yàn)和閘閥實(shí)驗(yàn)渦街流量計(jì)儀表系數(shù) K隨流量Q變化的曲線.圖中只給出了流量范圍在 24~150,m3/h時(shí)相同后直管段情況下改變前直管段長(zhǎng)度時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,虛線位置流量為 28,m3/h.需要說(shuō)明的是,通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該流量點(diǎn)是渦街流量計(jì)測(cè)量性能突變的一個(gè)分界點(diǎn).小于該流量時(shí)渦街流量計(jì)的測(cè)量性能變差,且流量越低儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重,因此圖中僅給出 24,m3/h情況作為說(shuō)明.表 2列出了基于第 3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算出的在分界流量點(diǎn)兩側(cè)時(shí)渦街流量計(jì)測(cè)量性能數(shù)據(jù).
從圖 5和圖 6中可以看出,當(dāng)流量在 28~150,m3/h時(shí),無(wú)論是單彎頭還是閘閥,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有以下特征.
(1) 在相同后直管段條件下,渦街流量計(jì)儀表系數(shù)隨流量的減小而逐漸增大,但在接近下限流量處會(huì)有一突降.從渦街流量計(jì)工作特性來(lái)分析,出現(xiàn)突降點(diǎn)是不合理的.分析可能造成的原因,小流量時(shí)渦街信號(hào)微弱不易檢測(cè),加之實(shí)驗(yàn)裝置管道振動(dòng)等干擾因素,會(huì)使渦街流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)不穩(wěn)定,造成丟波或漏檢.雖然儀表系數(shù)的突降會(huì)造成渦街流量計(jì)測(cè)量性能變差,但從表 2的數(shù)據(jù)可以看出,在前直管段大于等于 5D時(shí),測(cè)量性能仍可保證,即渦街流量計(jì)仍處于正常工作狀態(tài).
圖5 彎頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of bend test
圖6 閘閥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental data of gate valve test
(2) 在相同后直管段條件下,隨著前直管段的縮短,渦街流量計(jì)平均儀表系數(shù)逐漸增大,即曲線逐漸上移.
(3) 與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比,直管段長(zhǎng)度改變對(duì)小流量造成的影響比大流量時(shí)要大,即小流量時(shí)儀表系數(shù)偏差更大.
(4) 當(dāng)前直管段較長(zhǎng)時(shí),后直管段對(duì)儀表系數(shù)的影響不大;隨著前直管段逐漸縮短,后直管段越短造成平均儀表系數(shù)的偏差越大(見(jiàn)表2).
對(duì)于流量小于28,m3/h的情況,如圖5和圖6所示在 24,m3/h流量點(diǎn),前直管段越短,儀表系數(shù)下降越嚴(yán)重,造成在整個(gè)測(cè)量范圍(24~150,m3/h)內(nèi)儀表系數(shù)非線性越嚴(yán)重,即線性度越差.此外,前直管段越短,重復(fù)性越差.如表 2所示,當(dāng)流量計(jì)上游為單彎頭時(shí),只有前直管段為 20,D時(shí)能夠滿足測(cè)量精度要求.當(dāng)為全開(kāi)閘閥時(shí),由于儀表系數(shù)非線性嚴(yán)重,所討論的直管段長(zhǎng)度均不能滿足測(cè)量要求.由于在24,m3/h時(shí)渦街流量計(jì)受安裝條件影響已顯現(xiàn)出較差的測(cè)量性能,無(wú)法正常工作,因此更低流量點(diǎn)情況在本文不再討論.
表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)Tab.2 Evaluation on experimental data
表2給出了23組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄,并基于第3.1節(jié)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和表 3給出的評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià),給出了安裝使用渦街流量計(jì)的建議.其中“√”表示安裝的前后直管段合適;“×”表示安裝的前后直管段不合適,上游阻流件對(duì)渦街流量計(jì)的影響不能忽略.
表3 評(píng)價(jià)方法Tab.3 Evaluation method
僅對(duì)流量在 28~150,m3/h情況給出評(píng)價(jià)結(jié)論:根據(jù)表3評(píng)價(jià)方法,如表2所示,對(duì)于上游安裝單彎頭,前直管段分別為 2,D、3,D,后直管段分別為 3,D、5,D共4種情況時(shí),彎頭對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響不能忽略;對(duì)于上游安裝全開(kāi)閘閥,除了以上 4種前后直管段組合情況外,當(dāng)前直管段為 5,D,后直管段為3,D時(shí),閘閥對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響均不能忽略.
將本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院Takamto等[12]對(duì)渦街流量計(jì)安裝影響研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,圖7所示為渦街流量計(jì)在彎頭和全開(kāi)閘閥下游的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12],橫軸為渦街流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度,以管道直徑D為最小單位,縱軸為平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差
圖7 渦街流量計(jì)安裝條件影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]Fig.7 Installation effects of vortex flowmeter[12]
1) 研究?jī)?nèi)容不同
Takamto等[12]研究了 4種旋渦發(fā)生體的渦街流量計(jì)在 2種安裝角度和 2個(gè)雷諾數(shù)下前直管段的影響,圖 7中所示結(jié)果包含了多種因素,是一個(gè)綜合評(píng)價(jià).2個(gè)雷諾數(shù)分別為3.0×105和7.0×106.
本實(shí)驗(yàn)針對(duì)一種典型渦街流量計(jì)在常規(guī)安裝角度(水平安裝,信號(hào)轉(zhuǎn)換器在上方)下不同前后直管段長(zhǎng)度組合進(jìn)行研究,針對(duì)性更強(qiáng).實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為3.5×104~5.3×105.
2) 評(píng)價(jià)指標(biāo)不同
Takamto等[12]的研究中只有平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo),且僅給出了相對(duì)誤差的分布圖(圖 7),沒(méi)有關(guān)注在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的特性.
本實(shí)驗(yàn)中除關(guān)注平均儀表系數(shù)相對(duì)誤差外,還對(duì)流量范圍內(nèi)儀表系數(shù)的重復(fù)性和線性度進(jìn)行了評(píng)價(jià),從圖 5和圖 6中可以很直觀地看出隨流量變化儀表系數(shù)的變化規(guī)律.
3) 結(jié)論不同
Takamto等[12]的結(jié)論是:當(dāng)上游存在單彎頭阻流件時(shí),渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長(zhǎng)度為 13D;當(dāng)上游存在全開(kāi)閘閥阻流件時(shí),渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長(zhǎng)度為5D.
本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論:當(dāng)流量在 28~150,m3/h,渦街流量計(jì)上游存在單彎頭時(shí),其所需最短上游直管段長(zhǎng)度為5,D,下游直管段長(zhǎng)度為3,D;上游存在全開(kāi)閘閥時(shí),渦街流量計(jì)所需最短上游直管段長(zhǎng)度為 5,D,下游直管段長(zhǎng)度為 5,D.當(dāng)流量小于 28,m3/h時(shí),渦街流量計(jì)儀表系數(shù)明顯下降,已無(wú)法正常工作.這說(shuō)明,阻流件對(duì)小流量測(cè)量性能影響嚴(yán)重,若仍想保證測(cè)量精度,則需犧牲流量測(cè)量范圍.
通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)定量研究了渦街流量計(jì)上游安裝單彎頭和全開(kāi)閘閥 2種情況時(shí)對(duì)其測(cè)量性能的影響.共進(jìn)行了包括基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)在內(nèi) 23組實(shí)流實(shí)驗(yàn),雷諾數(shù)范圍為 3.5×104~5.3×105.以平均儀表系數(shù)的相對(duì)誤差、儀表系數(shù)的線性度和重復(fù)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo),最終給出了渦街流量計(jì)在2種安裝條件下的推薦前后直管段長(zhǎng)度:
當(dāng)雷諾數(shù)為 1.0×105~5.3×105,單彎頭時(shí),前直管段長(zhǎng)度需滿足至少5,D,后直管段長(zhǎng)度至少3,D;全開(kāi)閘閥時(shí),前直管段長(zhǎng)度需滿足至少 5,D,后直管段長(zhǎng)度至少 5,D,此時(shí)阻流件對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量影響才能忽略.
當(dāng)雷諾數(shù)小于1.0×105時(shí),由于小流量點(diǎn)的儀表系數(shù)嚴(yán)重減小,造成整個(gè)流量范圍內(nèi)渦街流量計(jì)的測(cè)量性能變差:?jiǎn)螐濐^時(shí),只有前直管段為 20,D時(shí)可以保證測(cè)量精度;全開(kāi)閘閥時(shí),前直管段 15,D已無(wú)法滿足精度要求.因此當(dāng)渦街流量計(jì)安裝在如彎頭、閘閥等非理想管道條件時(shí),其在低雷諾數(shù)時(shí)的測(cè)量性能需要特別關(guān)注.
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