謝林，殷家云，紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1. 上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070)

1 概 述

流量計(jì)如果安裝不合理，往往會(huì)引起較大誤差。在流量?jī)x表的安裝中，困擾設(shè)計(jì)師和現(xiàn)場(chǎng)施工人員的棘手問(wèn)題通常是直管段長(zhǎng)度不夠，下面就該問(wèn)題展開討論。

目前常用的流量計(jì)約有一百種，除了容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)之外[1-2]，其他流量計(jì)均對(duì)前后直管段有特定的要求。這是因?yàn)榇蟛糠至髁坑?jì)的流量系數(shù)是在充分發(fā)展的管流條件下標(biāo)定得到的，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用這些流量計(jì)時(shí)，也只有在充分發(fā)展的管流條件下，才能保證測(cè)量精確度。

所謂充分發(fā)展的管流，就是具有充分發(fā)展的速度分布的管流。在流動(dòng)過(guò)程中，沿流向從1個(gè)橫截面到另1個(gè)橫截面速度分布不發(fā)生變化，稱為充分發(fā)展的速度分布，它通常是在足夠長(zhǎng)的直管段末端才能形成。

管道設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成流體的擾動(dòng)，引發(fā)速度分布變形或產(chǎn)生漩渦，前者來(lái)自閥門或彎頭，漩渦多來(lái)自2個(gè)以上不同平面的彎頭，只有在流量計(jì)前后留有足夠長(zhǎng)的直管段或安裝特制的整流器才能克服這些影響。

2 直管段長(zhǎng)度要求

1) 由于流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)各不相同，因而不同類型的流量計(jì)對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同，表1列出幾種常用流量計(jì)對(duì)上游直管段的要求[3-6]。

表1 流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度的一般要求(90°彎，無(wú)流動(dòng)調(diào)整器)

2) 流量計(jì)上游引發(fā)流場(chǎng)畸變的管件(或阻流件)不同，對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同。表2列出標(biāo)準(zhǔn)孔板完整的直管段要求。表2中的數(shù)據(jù)是研究者根據(jù)一百多年對(duì)孔板流量計(jì)試驗(yàn)研究歸納總結(jié)得到的，因此既全面又可靠。

3 直管段長(zhǎng)度不夠?qū)y(cè)量結(jié)果的影響

總的來(lái)說(shuō)，直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)流量測(cè)量不確定度相應(yīng)增大，但是增大多少以及由此引起的附加誤差是正向還是負(fù)向，需要具體分析。到目前為止，只有個(gè)別類型的流量計(jì)有人做過(guò)為數(shù)不多的試驗(yàn)，得到了一些零星的數(shù)據(jù)。

圖1所示是日本富士公司提供的單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線[8]。從曲線形狀分析，上游彎頭應(yīng)是在最不利的方位，如果上游彎頭在有利的方位(彎頭與聲道在同一個(gè)平面)，附加誤差應(yīng)當(dāng)小得多。

圖1 單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線

圖2所示是美國(guó)丹尼爾公司(Daniel)和諾娃公司(NOVA)所做的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線[9]，從圖中的數(shù)據(jù)分析，被試差壓裝置應(yīng)是環(huán)室取壓，如果是2.54cm(1 in)法蘭取壓或徑距取壓，附加誤差要大得多。

圖2 前直管段長(zhǎng)度對(duì)孔板流出系數(shù)的影響

如果是徑距取壓，由于上游彎頭與取壓口之間相互位置的不同，會(huì)有三種不同的結(jié)果：

1) 當(dāng)取壓口處于彎管的外圈時(shí)，流出系數(shù)趨小，引起正向附加誤差，如圖3所示。

圖3 取壓口處于外圈

2) 當(dāng)取壓口處于彎管內(nèi)圈時(shí)，流出系數(shù)趨大，引起負(fù)向附加誤差，如圖4所示。

圖4 取壓口處于內(nèi)圈

3) 當(dāng)取壓口處于與彎管所在的平面垂直時(shí)，流出系數(shù)的偏移應(yīng)比前兩種情況小得多，如圖5所示。

圖5 取壓口與90°彎垂直

因此，在確定取壓口方位時(shí)，應(yīng)考慮最有利的方案。在上面的分析中，直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差幅值還與節(jié)流件的直徑比β有關(guān)，其中β較小時(shí)，相同的直管段倍數(shù)引起的附加誤差要小一些。

表2 無(wú)流動(dòng)調(diào)整器情況下孔板與管件之間所需的直管段

4 直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)的處理

作為自控工程設(shè)計(jì)人員，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，總是要為流量計(jì)尋找一個(gè)理想的安裝地點(diǎn)，其中就包括解決直管段長(zhǎng)度問(wèn)題，但有時(shí)由于場(chǎng)地限制，無(wú)法保證直管段長(zhǎng)度。在既有的管道上增設(shè)流量計(jì)更是如此，因?yàn)樵诠艿冷佋O(shè)時(shí)，基本不會(huì)預(yù)留安裝流量計(jì)的位置，所以保證直管段長(zhǎng)度會(huì)成為面臨的棘手問(wèn)題。根據(jù)各種具體情況，有下面幾個(gè)方法可供選擇。

1) 管線繞道法。圖6所示為工業(yè)鍋爐產(chǎn)汽流量渦街流量計(jì)安裝俯視圖。

圖6 渦街流量計(jì)及前后直管段

鍋爐上汽包主蒸汽管垂直升高后，經(jīng)1個(gè)90°彎頭就在爐頂以水平方向鋪設(shè)，由于既有的管道安裝了1臺(tái)DN150的渦街流量計(jì)直管段長(zhǎng)度不能滿足要求，因而最簡(jiǎn)單有效的方法是與設(shè)備專業(yè)人員協(xié)商，將既有管道進(jìn)行改裝，例如將圖6中的管段a改為b，c，d，如圖7所示。由于直管段加長(zhǎng)了一段d，從而滿足了直管段要求。

2) 讓步法。所謂讓步法就是對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)作出讓步，該方法在產(chǎn)品質(zhì)量管理中是普遍使用的。例如在化工生產(chǎn)中，從流程末端流出的產(chǎn)品達(dá)不到一級(jí)品指標(biāo)，但能達(dá)到二級(jí)品指標(biāo)，于是就作二級(jí)品入庫(kù)銷售，而不是將其報(bào)廢，這樣在經(jīng)濟(jì)上比較劃算。

圖7 管線繞道后的配管示意

在流量計(jì)使用現(xiàn)場(chǎng)，如果直管段長(zhǎng)度無(wú)論如何也不能滿足要求，流量測(cè)量結(jié)果也不是用于貿(mào)易結(jié)算，而是用于一般監(jiān)測(cè)或過(guò)程控制，可嘗試采用讓步法。例如表2標(biāo)準(zhǔn)所列的直管段長(zhǎng)度中，A列的數(shù)據(jù)是達(dá)到0.5%不確定度必須滿足的直管段長(zhǎng)度，如果用戶肯將不確定度讓步到1%，則滿足B列直管段長(zhǎng)度即可，這樣就使直管段長(zhǎng)度要求大幅降低。其他類型的流量計(jì)，也可參考該表格。

3) 在有直管段要求的各種類型流量計(jì)中，流量傳感器在管道上的安裝方位同測(cè)量結(jié)果的關(guān)系，有些不受上游彎頭方向的影響，例如渦輪流量計(jì)和環(huán)室取壓差壓流量計(jì)，但大多數(shù)類型的流量計(jì)都對(duì)上游彎頭方向很敏感，例如圖1所示的外夾式單聲道超聲流量計(jì)[10]，圖3～圖5所示的差壓流量計(jì)以及圖6所示的渦街流量計(jì)，因而應(yīng)將流量傳感器在管道上的安裝方位選擇在最有利的位置。

a) 以差壓式流量計(jì)為例，圖8所示為取壓口位置示意。取壓口的取向應(yīng)考慮被測(cè)流體為液體時(shí)，應(yīng)防止氣體進(jìn)入導(dǎo)壓管；被測(cè)流體為氣體時(shí)，應(yīng)防止液滴或污物進(jìn)入導(dǎo)壓管。當(dāng)測(cè)量管道為垂直時(shí)，取壓口在取壓位置的平面上，方向可任意選擇，即α可大可小，選擇的范圍就大了。

圖8 取壓口位置安裝示意(徑向)

b) 在圖6所示的渦街流量計(jì)實(shí)例中，業(yè)主單位沒(méi)有選擇管線繞道的方法，而是選擇了將旋渦發(fā)生體旋轉(zhuǎn)90°，即將接線盒安裝在水平管道的側(cè)面，收到了很好的效果[9]，經(jīng)質(zhì)量平衡驗(yàn)證和能量平衡驗(yàn)證，達(dá)到很高的精確度。

c) 在圖9中，將旋渦發(fā)生體旋轉(zhuǎn)90°后直管段長(zhǎng)度不夠也不影響測(cè)量精確度，這是因?yàn)闇u街流量計(jì)在出廠前都經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的直管段都相當(dāng)長(zhǎng)，所以流量計(jì)前管道內(nèi)流體的速度分布是對(duì)稱的，也不存在旋渦。圓形流通截面中流速最高點(diǎn)與軸心重合，1臺(tái)渦街流量計(jì)的流量系數(shù)就是在這樣的條件下標(biāo)定出來(lái)的。

圖9 取壓口位置安裝示意(俯視)

d) 在圖10中，流體在管道內(nèi)高速流動(dòng)，由于流體的離心力作用，流場(chǎng)產(chǎn)生畸變，使最高流速向圖的下方偏移，這種偏移使最高流速點(diǎn)不再對(duì)準(zhǔn)旋渦發(fā)生體的中心，從而使流量計(jì)的旋渦剝離頻率相對(duì)減小，引起儀表示值偏低。

圖10 管道內(nèi)的流場(chǎng)分布與發(fā)生體位置

而當(dāng)旋渦發(fā)生體的方向被旋轉(zhuǎn)90°后，流場(chǎng)的畸變情況雖然無(wú)變化，但最高流速點(diǎn)卻對(duì)準(zhǔn)了發(fā)生體的中心線，如圖11所示。

圖11 旋渦發(fā)生體處于水平位置

該方法對(duì)安裝在垂直管道上的電磁流量計(jì)、單聲道超聲流量計(jì)也完全適用，但對(duì)安裝在水平管道上的電磁流量計(jì)和單聲道超聲流量計(jì)就要適當(dāng)修正才能應(yīng)用。因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)不允許將電極安裝在水平管道的上方和下方，如果電極被布置在水平管道的水平直徑方向則處于最不利的位置，可將1對(duì)電極所組成的連線在圓周方向旋轉(zhuǎn)45°。單聲道超聲流量計(jì)如果1對(duì)換能器被布置在水平管道的水平直徑方向也處于最不利的位置，則可將1對(duì)換能器之間的聲道所組成的平面在圓周方向旋轉(zhuǎn)45°，這樣處理雖然效果比不上旋轉(zhuǎn)90°，但比最不利的位置要好得多。

4) 加裝流動(dòng)調(diào)整器。流動(dòng)調(diào)整器可用于減少上游直管段長(zhǎng)度。配合性實(shí)驗(yàn)表明，它可以用在任何上游管件的下游。目前在ISO 5167正文中只列入2種流動(dòng)調(diào)整器： 19根管束式流動(dòng)整直器(1998)和Zanker流動(dòng)調(diào)整板，流動(dòng)調(diào)整器在標(biāo)準(zhǔn)中列有適用的節(jié)流件和阻流件類型以及具體的安裝位置等。

5) 選用直管段要求低的流量計(jì)。由于各種不同類型的流量計(jì)對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求差異懸殊，如果原來(lái)所選的流量計(jì)直管段要求較長(zhǎng)，而且無(wú)論如何也滿足不了要求，應(yīng)改選直管段長(zhǎng)度要求較低的型號(hào)。

6) 對(duì)影響值進(jìn)行評(píng)估。直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)，流量計(jì)不確定度增大，是由于管道內(nèi)的速度分布畸變，使得儀表的實(shí)際流量系數(shù)與出廠標(biāo)定時(shí)的流量系數(shù)不一致。

如果按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的管件種類和直管段長(zhǎng)度組裝成1套帶前后管段的流量計(jì)，放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，標(biāo)定出該臺(tái)儀表的流量系數(shù)，然后配套使用，并使用此流量系數(shù)計(jì)算流量，也就完全排除了直管段長(zhǎng)度不夠?qū)y(cè)量結(jié)果的影響。該方法在鉆井平臺(tái)等場(chǎng)地有限的場(chǎng)合，經(jīng)常采用。

5 結(jié)束語(yǔ)

在種類繁多的流量計(jì)中，通常對(duì)流量計(jì)前后直管段有特定的要求。由于工作原理的不同，對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同；阻流件的類型不同，對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

在遇到直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)，針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況和流量計(jì)的不同用途，可分別采用管線繞道法、降低精確度指標(biāo)法、加裝流動(dòng)調(diào)整器法、選擇最有利的安裝方位法以及改選直管段長(zhǎng)度要求較低的流量計(jì)等方法，使問(wèn)題得到解決。

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