邵國(guó)輝　趙　越

(1.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；2.國(guó)家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150040)

0　引言

標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置是一種歷史悠久、使用廣泛的差壓式流量計(jì)。早在上世紀(jì)初，美國(guó)就開始利用孔板測(cè)量天然氣的流量。作為應(yīng)用最普遍的節(jié)流件，其結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡(jiǎn)單、牢固，性能穩(wěn)定可靠、使用期限長(zhǎng)、價(jià)格低廉而得到了廣泛的工程應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)所使用的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測(cè)量裝置一般采用國(guó)標(biāo)制造、安裝，不確定度在0.6%～2%之間，且一般均未經(jīng)過(guò)校驗(yàn)，因此其真實(shí)的不確定度難以確定，加上制造、安裝過(guò)程中的不規(guī)范，其不確定度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1%～3%這一數(shù)量級(jí)，顯然這一精度無(wú)法滿足當(dāng)前嚴(yán)峻的節(jié)能形勢(shì)需要。

為了在試驗(yàn)中獲取精確的流量參數(shù)值，并對(duì)校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判定。本文將詳細(xì)介紹標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測(cè)量裝置的校驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)，利用該方法可以方便地檢驗(yàn)流量測(cè)量裝置是否滿足使用要求。

1　標(biāo)準(zhǔn)孔板的校驗(yàn)

盡管標(biāo)準(zhǔn)孔板在加工時(shí)，已采取了許多措施來(lái)保證其精度。但是經(jīng)驗(yàn)表明，流出系數(shù)C有時(shí)仍不能達(dá)到讓人滿意的期望值。因此孔板測(cè)量裝置在使用之前必須對(duì)其精度進(jìn)行校驗(yàn)，以便確定流出系數(shù)與節(jié)流孔雷諾數(shù)是否滿足要求。校驗(yàn)時(shí)雷諾數(shù)Red>106，水溫和流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)盡可能接近孔板的實(shí)際使用條件。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)流量，通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算得出孔板雷諾數(shù)和流出系數(shù)。

qm=ρv·qv

(1)

式中：qm為質(zhì)量流量(kg/s)；ρv為金屬量器中水的密度 (kg/m3)；qv為體積流量(m3/s)，由標(biāo)準(zhǔn)金屬量器和計(jì)時(shí)器得出。

雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Red為雷諾數(shù)；V1為管路中水的平均速度(m/s)；υ1為水的運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s)；β為直徑比，β=d/D；d為節(jié)流孔直徑(m)；D為工作條件下孔板流量計(jì)上游管道內(nèi)徑(m)；μ1為水的動(dòng)力黏度(Pa·s)。

流出系數(shù)為通過(guò)節(jié)流裝置的實(shí)際流量值與理論流量值之比，并將它應(yīng)用到理論流量方程中以獲得實(shí)際的流量。在一定的安裝條件下，對(duì)于給定的節(jié)流裝置，流出系數(shù)的數(shù)值僅與雷諾數(shù)有關(guān)。只要節(jié)流裝置幾何相似，并且在相同雷諾數(shù)的條件下。則流出系數(shù)的數(shù)值是相同的。

流出系數(shù)C計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Δp為差壓 (Pa)；ρ1為孔板流量計(jì)節(jié)流孔處水的密度(kg/m3)。

檢驗(yàn)包括21個(gè)覆蓋大的雷諾數(shù)變化范圍的可接受的點(diǎn)，并且依照GB/T 2624—2006，孔板校驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足下列判據(jù)：對(duì)于所有三種型式的取壓口，流出系數(shù)C值的相對(duì)不確定度為：

(0.7-β)%(對(duì)于0.1≤β<0.2)

0.5%(對(duì)于0.2≤β≤0.6)

(1.667β-0.5)%(對(duì)于0.6<β≤0.75)

若D<71.12mm，上述值應(yīng)算術(shù)相加下列相對(duì)不確定度：

若β>0.5且Red<10000，上述值應(yīng)算術(shù)相加0.5%的相對(duì)不確定度。

校驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)的不確定度公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Cavg為流出系數(shù)平均值；n為測(cè)量次數(shù)；Ci為流出系數(shù)的第i次測(cè)量值；Sc為流出系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；t為學(xué)生分布數(shù)值；(eC)r為流出系數(shù)的不確定度；(fC)r95為流出系數(shù)平均值在95%置信度下的隨機(jī)不確定度。

2　校驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)實(shí)例

下面是一組實(shí)驗(yàn)室通過(guò)校驗(yàn)得出的某標(biāo)準(zhǔn)孔板檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以很直觀地判定出該標(biāo)準(zhǔn)孔板是否符合使用要求。校驗(yàn)包含21個(gè)可接受的點(diǎn)，雷諾數(shù)變化范圍從1.009×106到2.754×106。該孔板流量計(jì)對(duì)有效測(cè)壓孔的校驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　校驗(yàn)結(jié)果

圖1　測(cè)壓孔校驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 2624—2006對(duì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，則此校驗(yàn)孔板的流出系數(shù)C的相對(duì)不確定度為：

(1.667β-0.5)%=0.542%

從圖1的校驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，測(cè)壓孔1#、2#的結(jié)果來(lái)看，流出系數(shù)C的值不隨Red的變化而變化，符合GB/T 2624—2006對(duì)孔板的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

3　存在的問(wèn)題及建議

在低的雷諾數(shù)下，標(biāo)準(zhǔn)孔板表面邊界層的流動(dòng)狀態(tài)為層流，雷諾數(shù)對(duì)流出系數(shù)的影響較顯著，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值隨雷諾數(shù)的減小而逐漸偏移直至完全背離。在高的雷諾數(shù)下，邊界層的流動(dòng)狀態(tài)為紊流，雷諾數(shù)對(duì)流出系數(shù)的影響很小，理論及計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值十分接近。在兩者之間的雷諾數(shù)則為處于由層流向紊流過(guò)渡的漸變區(qū)，這時(shí)孔板會(huì)受到表面邊界層流動(dòng)狀態(tài)改變的影響。要使流量測(cè)量有較高的準(zhǔn)確度，標(biāo)準(zhǔn)孔板應(yīng)在高雷諾數(shù)范圍內(nèi)用于流量測(cè)量。

因此建議將標(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計(jì)成盡可能在較高雷諾數(shù)下運(yùn)行以避開漸變區(qū)的影響，同時(shí)孔板校驗(yàn)時(shí)也應(yīng)盡量避開該區(qū)域。

由式(2)可以看出，當(dāng)孔板的節(jié)流孔直徑d給定時(shí)，雷諾數(shù)Red由通過(guò)孔板的流量qm和水的動(dòng)力黏度μ1決定。對(duì)于不可壓縮流體，流量qm主要由差壓決定，動(dòng)力黏度則主要與流體的溫度有關(guān)(水溫越高，其動(dòng)力黏度越小)，因此在孔板校驗(yàn)過(guò)程中為避開漸變區(qū)而提高雷諾數(shù)Red的方法可通過(guò)提高節(jié)流孔流量(前后差壓)和流體的溫度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)采用提高流量的方法來(lái)提高孔板的雷諾數(shù)時(shí)，由于節(jié)流作用，流量越大節(jié)流孔前后的差壓也越大，流量增加到一定程度后，節(jié)流孔后將會(huì)形成一個(gè)局部負(fù)壓區(qū)(壓力低于大氣壓力，該區(qū)域后壓力會(huì)得到一定程度的恢復(fù))，在該區(qū)域可能汽化，造成嚴(yán)重的水擊現(xiàn)象，使整個(gè)管路發(fā)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，嚴(yán)重威脅校驗(yàn)裝置的運(yùn)行安全，因此通過(guò)提高流量來(lái)增大雷諾數(shù)的方法將受到一定的限制。

因此，國(guó)際上高雷諾數(shù)水力試驗(yàn)臺(tái)均采用提高水溫來(lái)提高雷諾數(shù)，但這需要一套大功率的加熱裝置。為了彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)對(duì)于高精度、大流量校驗(yàn)方面存在的不足，建設(shè)一套高雷諾數(shù)水力試驗(yàn)臺(tái)十分必要。

4　結(jié)論

通過(guò)介紹標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓流量測(cè)量裝置的校驗(yàn)方法，可以有效地確定流量測(cè)量裝置是否滿足使用要求。同時(shí)探討了雷諾數(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測(cè)量精度的影響。

[1]GB/T 2624—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量[S]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

[2]ISO 5167-2003 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full [S]. British Standards Institution，2003

[3]ASME PTC6-1996 Performance Test Code 6 on Steam Turbines[S]. American Society of Mechanical Engineers，1996

[4]盧曉剛，高玉格，張紅兵.孔板流量計(jì)存在問(wèn)題的探討[J].計(jì)量技術(shù)，2005(8)：60-62

[5]梁國(guó)偉，盛健.孔板流量計(jì)的原理與應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù)，1994(3)：26-28