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V錐流量計

工作原理差壓式流量計的分類V錐技術的特征流量計整機接線示意圖V錐流量計的優缺點

V錐流量計(VNZ流量計)
孫延柞

1.序言(概述)

以孔板、噴嘴和文丘利管為代表的差壓式流量計成功地應用于工業已愈百年。在積累大量實踐經驗的基礎上,關于標準化差壓式流量計的最新國際標準ISO5167—1、ISO5167—2、ISO5167—3和ISO5167—4已于2003年3月由國際標準化組織(ISO)正式公布執行。所謂“標準化”就是無須實驗校準而確定差壓與流量的關系,并可估算其測量誤差。目前在全部流量計中只有這種流量計是唯一一種能達到此標準的流量計。

孔板流量計由于已標準化且結構簡單、牢固;易于復制,通用性強,價格低廉而獲得相當廣泛的大量應用。然而,孔板流量計由于它自身結構上的缺陷也有一些重大的缺點;如流出系數不穩定,、線性差,重復性不高,準確度因受諸多因素影響也不高,易積污和易被磨損,壓損較大,量程比(范圍度)小,現場安裝條件高,要求的直管段過長等。

對產生差壓的節流裝置的優化改進工作一直沒有中斷,對其尺寸、節流件的幾何形式與參數,入口邊緣剖面,取壓與節流方式,可更換孔板的研制工作一直在進行。例如:為測量臟污流體的流量已開發出的非標準節流裝置大至有:圓缺孔板、偏心孔板、楔形孔板、耐磨孔板、環形孔板、彎管(彎頭)等。這種完善、改進的工作直到80年代中期才發展成質的飛躍,即:將流體節流收縮到管道中心軸線附近的概念從根本上改變成利用同軸安裝在管道中的V形尖圓錐將流體逐漸地節流收縮到管道的內邊壁。通過測量此V形內錐體前后的差壓來測量流量。這種V形內錐式(VNZ)流量計為差壓式流量計揭開了嶄新的一頁。經過10多年來的多次測試和應用,目前人們已普遍地理解它并且接受它作為一種更有效的流量儀表。實踐證明:利用VNZ流量計能在更短的直管段條件下,以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現更準確更有效的流量測量。本章將詳細論證它的工作原理、結構、整機系統組成;主要技術性能與指標;優缺點、典型產品剖析和典型應用實例與經驗等。

2.工作原理

2.1差壓式流量計的基本原理

總的說來,差壓式流量計的工作基于如下事實:如果流體流經一個收縮(節流)件時,流體將被加速。這種流體的加速將使它的動能增加,而同時按照能量守恒定律,在流體被加速處它的靜壓力一定會降低一個相對應的值。能量守恒定律告訴我們:在一個封閉的系統中,流體的總能量是一個常數。為進一步進行定量分析,請參見以下圖1

圖1

在橫截面1處,流體的平均流速是V1,其密度是ρ1,管道在橫截面1處的橫截面積是A1;當流體流過橫截面2時,相應的平均流速是V2,密度是ρ2,橫截面積是A2,根據流體流動連續性原理有如下關系式:V1·A1·ρ1=V2·A2·ρ2………………(1)

如果流體是液體,可認為在收縮前、后其密度不變,即

ρ1=ρ2=ρ

所以液體的體積流量:qV=V1·A1=V2·A2…………………(2)

根據別努利方程(能量守恒定律),在水平管道上Z1=Z2,則有如下關系式:

>……………………(3)

應用別努利方程和流動連續性原理,在兩個橫截面上則有如下關系式:

,

由(2)式:V1= ………………(4)

將(4)代入(3)式,并整理,則得:

,則

式中 ;

根據直徑比β的定義:β=

由(2)式

,這樣可推導出以下的理論流量公式:

又由于流出系數C的定義是:C= ,最后可得出節流式差壓流量計普遍適用的實際流量公式:

………………(5)

質量流量qm=qv·ρ1………………(6)

式中:

——被測介質的可膨脹性系數,對于液體 =1;對氣體、蒸氣等可壓縮流體 <1;

qv——流體的體積流量,[m3/s];(工況下流體的體積流量);

qm——流體的質量流量,[㎏/S];

d——工作狀況下節流件的等效開孔直徑,[m](對于孔板是孔徑,對于文丘得管是喉徑,對于VNZ流量計是等效開孔直徑);

△P—差壓,△P=P1-P2;[Pa];

ρ1——工作狀況下,節流件(前)上游處流體的密度,[㎏/m3];

C——流出系數,[—] 無量綱;

β——直徑比[—]無量綱。β=d/D。

如果要求有高準確度的測量結果,如要求不確定度是±0.5%的流量值,那么就需要在規定的流量范圍和相對應的雷諾數范圍內進行校準,即標定出C值。如果±1%到2%的精度是可以接受的,那么對于孔板、噴嘴和文丘利管等標準節流裝置可以根據最新國標標準ISO-5167(2003)或我國國家標準來確定C(流出系數值)。

當要求有高精度(約±0.5%)的流量測量結果時,對每一個VNZ流量計都需進行單獨校準。通常是在制造廠的標準裝置上或在可溯源至國家基準的獨立實驗室中進行校準C系數的工作。當雷諾數Red等于或大于8000時,VNZ流量計的重復性為0.1%.

3.關于差壓式流量計的分類

以往采用有差壓式流量計的分類原則大致上有以下三種:

3.1 按產生差壓的作用原理分類:包括分類類型有:(1)節流式;(2)動壓式;(3)水力阻力式;(4)離心式;(5)動壓增壓式;(6)射流式。其中節流式是差壓流量計的主要品種,關于節流式差壓計進一步合理分類將在下文作專題論述。

3.2 按結構形式分類:包括(1)標準孔板;(2)標準噴嘴;(3)經典文丘利管;(4)標準文丘利噴嘴;(5)圓缺孔板;(6)耐磨孔板;(7)環形孔板;(8)錐形入口孔板等約20多種,詳見文獻。

3.3 按用途分類又可分為(1)標準節流裝置;(2)臟污流節流裝置;(3)低雷諾數節流裝置;(4)低壓損節流裝置;(5)寬量程節流裝置;(6)小管徑節流裝置;(7)臨界流節流裝置等。

3.4 節流式流量計的合理分類

依據流體通過節流件時,部分靜壓能轉變為動能,因而產生差壓的原理工作。其檢測件被稱為節流裝置。按照流體被節流件節流的方式,即實現流體收縮的方式,可將節流裝置細分為以下的兩大類,共四個小類,這樣有助于從分類學的高度認識各種節流裝置由于其自身結構所決定的優缺點;

3.4.1 中心收縮式節流裝置

利用節流件將被測流體節流集中收縮到管道中心軸線附近的節流,這是到目前為止絕大多數節流式流量計所采用的節流方式,在該大類中,又可分成以下兩個小類:

3.4.1.1 中心突然收縮式節流裝置:

即流體流入節流裝置后,預先沒有流經任何預收縮件而突遇節流件并在管軸中心線附近形成收縮的節流裝置,它的典型代表就是標準孔板,如圖2所示;

圖2 孔板

孔板是一個帶有同心(同軸)圓孔或偏心圓孔的一塊板,當流體流過時由所開的圓孔形成流體的局部收縮。在孔板下游會形成幅度相當大的旋渦,它會使量程比縮小,差壓信號中的噪聲增大,降低流量計的測量精度,壓損增大。由孔板所造成的這種中心突然收縮的節流方式所帶來的其他缺點還有:要求的上游直管過長(一般至少20D至50D);孔板前極易積污;孔板入口極易被磨損從而喪失精度;流出系數不穩定,線性差。

3.4.2.1 中心逐漸收縮式節流裝置

流體進入節流裝置后,先經逐漸收縮段,然后進入中心軸線附近的喉部,最后經擴散段而流出節流裝置,它以經典文丘利管為代表,如圖3所示。

圖3 經典文丘利管

由于實現了逐漸收縮與擴散,壓損較小。一般說來,文丘利管的流出系數接近于1,但是由于磨損和使用,此流出系數可能有變化。文丘利管的主要缺點有:(1)安裝費用高;(2)要求的上游直管段較長(與阻流件及β值有關);(3)不適合于測量含濕(或冷凝液)的氣體;(4)測量含固體顆粒的流體時,易于被堵塞;(5)當用于大口徑管線時,文丘利管體積龐大,而且非常笨重,價格昂貴;(6)量程比?。▋H5:1);(7)總重量太大;(8)鋪設的總長度太長。

3.4.2 邊壁收縮式節流裝置

利用同軸安裝在管道中的節流件,將流體節流,收縮到管道的內邊壁附近,讓流體流過由節流件與管內壁所形成間隙,從而形成節流件前后的差壓;通過測量此差壓ΔP,實現流量測量??梢苑譃橐韵聝深悾?/p>

3.4.2.1 突然收縮式:可以用環形孔板[16]作為此類節流裝置的典型代表,如圖4所示;

圖4 環形孔板

環形孔板是一個實現流體在邊壁突然收縮的節流裝置,它由一個被同軸安裝在測量管中的圓盤、三腳支架和中心軸管組成。由盤上測量全(滯止)壓力的測壓孔所測得的上游壓力和圓盤上朝向下游的取壓孔所測得的下游壓力經中心軸傳送到差壓變送器。環形孔板的優點是既能疏泄管道底部的液體或固體顆粒又能使被測液體中的氣體或蒸氣沿管道頂部通過,排出節流裝置。對于臟污流體,朝向上游的取壓孔仍有被堵塞的危險。關于與管道尺寸之間的相互關系的數據目前公布的很少,僅有一些在常用β值下,用環形孔板測量干凈空氣流量的數據。

3.4.2.2 逐漸收縮式:以V形內錐流量計為代表利用同軸安裝在測量管中的V形尖圓錐,將流體逐漸地節流,收縮到管道內壁附近。通過測量此V形內錐體前后的差壓來實現流量測量,如圖5所示。通過以上的分類學分析,可以看清,人類對節流式流量計的改進進程,V形內錐流量測量節流裝置是對已有節流式流量計改進完善的必然結果。

圖5 V形內錐式節流裝置

4. V形內錐式節流裝置的基本原理與結構

V形內錐式節流裝置包括一個在測量管中同軸安裝的尖圓錐體和相應的取壓口。該測量管是預先精密加工好的,在尖圓錐體的兩端產生差壓。此差壓的高壓(正壓)是在上游流體收縮前的管壁取壓口處測得的靜壓力,P1如圖5所示,而低壓力(負壓)則是在圓錐體朝向下游端面,錐中心軸處所開取壓孔處壓力P2。該圓錐體的頂尖朝向來流,該圓錐體與其尾隨面之間是一個尖銳的銳角。此交合面的邊緣使得流體在進入下游的低壓區之前有一個平滑的過渡區,如圖5所示。

由于流體不是被迫收縮到管道中心軸線附近,并且也不再是一個阻擋物(節流件)令流體突然改變流動方向,而是利用這種結構新穎的內錐式節流裝置實現了對流體的逐漸朝向管內邊壁的收縮(節流),使V形內錐式流量計具有了一系列獨特的優點。這種流量計在其節流件的下游只會產生高頻低幅的喘流(小渦流),因而差壓變送器所測量的差壓ΔΡ信號是低噪聲信號。這樣在低壓力的取壓孔處可以測得靈敏度(分辨率)優于2.5毫米水柱的壓力。這就使只用一個差壓變送器就獲得很寬的量程比(范圍度)(量程比可大于15比1)和很好的重復性,重復性優于±0.1%成為可能。

4.1 V錐技術的特征

所有各種節流式差壓流量計都使用同一形式的數學方程式,普遍適用的計算工況下實際流量的公式,如式(5)、式(6)所示。只是在確定尺寸和具體實現流量方面,各種節流式流量計有某些微小的差別。對于V形內錐式節流裝置,在公式(5)或公式(6)的流量計算公式中,應采用等效的開孔直徑和等效的β值。例如,在如下的公式(5)和公式(6)中,應該用等效值(D2- )取代d2,式中dv—尖圓錐體最大橫截面,圓的直徑:

………………(5)

………………(6)

對于VNZ流量計,應該用(D2-dV2)取代以上兩式中的d2

dV———尖錐體最大橫截面,圓的直徑,m;

對于VNZ流量計應該用一個等效的β值(βV)代入以上的(5)和(6)式取代公式中原有的β值。這個工況下等效的β值—βV,可按如下公式求出:

………………(7)

式中:D—工況下測量管的內徑,m

dv—工況下尖錐體最大橫截面處,圓的直徑,m

βV—VNZ節流裝置的等效直徑比[—]無量綱;

可按下式計算dV:

dV= ………………(8)

式中dv和D皆指在工況條件下的尺寸。

與孔板(或噴嘴)類同的節流件等效開孔直徑dˊ=βV·D………(9)

4.2 VNZ流量計的氣體可膨脹性系數

如果被測介質是氣體,則必須使用氣體可膨脹性系數 來修正別努利方程。這是因為在節流件兩端由于壓力變化所造成的氣體密度ρ的變化并不適用于液體。對于氣體,必須用 乘以C(即用 來修正流出系數C)。對于VNZ流量計的 的計算公式[5]如下:

*=1-(0.649+0.696β4)· ……………………(10)

式中:

△P-一般指在常用流量下,內錐前后的常用差壓;

β—VNZ節流裝置的等效直徑比,即βV;­

k—被測介質(可壓縮流體)的等熵指數;

P1—工況下節流件(內錐)上游取壓孔處可壓縮流體的絕對靜壓Pa;

△P與P1應取相同的壓力單位。

對于每一個VNZ流量計,在流量公式中所采用的流出系數C是通過流量標定而獲得的。C的典型數值范圍是0.75~0.85。對于氣體或蒸汽介質的可膨脹性系數 可按式(10)計算。一個VNZ流量計由VNZ節流裝置、差壓信號管線,三閥組組件、差壓變送器及流量計算及顯示儀組成,其整機接線示意圖如以下圖6所示。

圖6 YNZ流量計整機接線示意圖[6]

4.3 VNZ節流裝置的三種結構型式

4.3.1精密測量管型,如圖7所示,其口徑范圍一般從 15mm~900mm。

4.3.2維夫(Wafer)式,即法蘭夾裝式,如圖8所示,其口徑范圍從15mm~150mm。

4.3.3 插入(帶頂部管壁)式,如圖9所示,其口徑范圍是150mm至1800mm,由于無法進行校準,精度較差,不確定度在3%到5%之間,測量值的重復性仍然很好。

圖7 精密測量管型 圖8 維夫式 圖9 插入式

5. VNZ流量計的主要性能指標與特點:

5.1 在精密測量管中的內錐的標準等效直徑比

βV=0.45, 0.55, 0.65, 0.75和0.85

5.2 在各種阻流件的下游安裝VNZ流量計時,所要求的直管段都大大縮短,一般上游要求有0至3D的直管段(當流量計安裝在閥門的下游時,要求3D);下游要求有0至1D的直管段。

例如:經測試將 VNZ流量計安裝在單彎頭之后,在0至20D的距離內,流出系數C的變化全部在±0.5%以內,如圖10(a)所示;

將VNZ流量計安裝在不在同一平面的雙彎頭后,在0至100D的距離內, 流出系數C變化全部在±1%以內,如圖10(b)所示;

5.3 在絕大多數的使用場所,VNZ流量計的測量精確度達±0.5%;

5.4 重復性為±0.1%;

5.5 典型的范圍度(量程比)為15:1;

5.6 最小雷諾數為8000,對于雷諾數低于8000的場所,要采用一個 擬合的關系式;

5.7沿測量管的內壁由被測流體自行實現完全的自清掃,所以可以自行消除液中的含氣或氣中的含液以及氣或液中所含的固體顆粒,將它們吹向下游,始終確保無污物在流量計中沉積或堆積;

5.8采用標準化的圓錐尺寸,可以減小壓損并增大流量測量范圍;

圖10(a)VNZ 流量計在一個單彎頭的下游

圖10(b)VNZ 流量計在不在同一平面的雙彎頭的下游

圖注:圖中的βv.cone即等效直徑比βV

5.9測量管中的設計壓力可達4Mpa或6Mpa。

5.10工作溫度可達到370℃或更高(如640℃)。

5.11在V形錐的下游能更好的實現流體的混合,它是一個良好的混合器。

6. V錐流量計的優缺點

6.1優點

6.1.1準確度優于實測流量的±0.5%,根據最新報導[15],在CEESI的依阿華(IOWA)的天然氣大流量測試裝置上曾對一批口徑從457mm至711mm的VNZ流量計進行了測試,其不確定度從±0.118%到±0.203%不等,對兩個相同口徑(660mm)的VNZ流量計測試后,所有測試點的總離散度在±0.55%以內。該不確定度水平可與其他各種氣體流量計相比;

6.1.2這種流量計的量程比:典型值為15:1,至少可有10:1的量程比;

6.1.3重復性優于±0.1%;

6.1.4安裝時所要求直管段很短,上游要求0至3D,下游要求0至1D;不需要在VNZ流量計的上游安裝流動調整器;

6.1.5流量計結構設計是流體掃過型結構,不可能截留流體中任何夾帶的氣,液或固相污物,非常適用于臟污流體的流量測量,如焦爐煤氣,濕氣體等;

6.1.6專用特殊設計的內錐體可以減弱被測壓力(差壓)場中脈動(振蕩)的幅值,從而減小差壓信號中的噪聲;

6.1.7無可動部件;

6.1.8當流體流經具有特殊廓形的內錐體時,會在其周邊形成邊界層并疏導流體離開錐體尾部的邊緣,從而減少它被磨損的可能性;

6.1.9由于壓損小,適用于低靜壓流體的流量測量的使用場合,如煙道氣;

6.2缺點:

6.2.1當要求VNZ流量計具有優于±0.5%的精確度,對每一臺流量計都要求在盡可能接近使用條件的校準裝置上對它進行實流校準,即標定它的流出系數C;

6.2.2 VNZ流量計尚未達到標準化的程度;

6.2.3由于結構上原因,無法用一臺VNZ流量計適應雙向流的流量測量要求。


各種流量計所適用的流體范圍一覽表

流體

Meter類形

潔凈氣

/液體

臟污氣

/液體

腐蝕性

液 體

粘性

液體

磨蝕

漿液

含纖維

漿 液

低流速

流 體

蒸汽(氣)氣 體

高溫

流體

低溫

流體

不充滿

管 道

非牛頓流 體

明渠

節流式差壓流量計

VNZ

孔板

文丘利管

噴嘴

畢托管

彎頭

電磁

○液

○液

○液

○V

質量流量計

科氏力

量熱式

流體振蕩形流量計

渦街

射流

旋進旋渦

容積式

靶式

渦輪

○氣

超聲

傳播時間

多普勒法

變面積式

堰與槽

圖例:○—設計首選; ◎ —在一定條件下可用(向廠家咨詢); √—通??捎?; ╳—不適用。


7.典型產品剖析:

7.1從速度分布,流動調整及直管段要求作橫向剖析.

為了獲得好的速度分布并且將旋轉二次流(渦流)從被測流體中消除,并且為了盡可能的縮短流量計上下游的直管段,大多數的流量計,如節流差壓式、超聲、渦輪或渦街流量計都要求在其上游安裝流動調整器?,F根據最新公布的ISO標準(或標準草案)以及我國相應的國標分別對幾種主要流量進行剖析并與VNZ流量計作對比.

7.1.1傳統的節流差壓式流量計:

ISO5167的修訂已有10多年的歷史,2003年3月國際標準化組織終于正式公布了新修訂的ISO5167新標準.這個ISO5167新標準所修改的主要內容有:[7.8]

7.1.1.1根據大量數據回歸的R/G公式取代了原來的Stolz公式;(參,見ISO5167-2:2003[E],5.3.2.1節,流出系數C);

7.1.1.2在沒有流動調整器的條件下,對孔板(或文丘利管)與一些上游阻流件之間所要求的最小直管段提出了全新的及更長的要求,詳見ISO5167-2:2003(E),表3,P.16以及本冊的表1、表2及表3。

7.1.1.3如在孔板上游安裝流動調整器,則可以適當縮短孔板上游直管段,詳見ISO5167-2:2003(E),表4,P.23;

7.1.1.4 采用新公式來計算孔板的可膨脹性系數(具體請參見ISO5167-2:2003(E),5.3.2-2節)

7.1.1.5修訂了關于孔板的不同軸度,不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求。

與修訂前ISO-5167相比較,以上5條都是有實質性變化的內容,其中最主要的一條變化就是對孔板等節流裝置的上游最小直管段提出了全新的和加長的要求.現僅舉一個實例來說明ISO5167新舊標準的變化:如果將一個β值為0.6的孔板安裝在單個90°彎頭之后,那么按舊標準要求的上游最小直管段L1 =18D。新標準則要求L1=42D,新舊標準所要求最小直管段的差值△L1=+24D,現在ISO5167-2:2003(E)新標準已正式公布,原有的按老標準所設計選定的L1 ,由于太短(僅18D),該孔板流量計已不符合新標準的要求,在此種情況下唯一補救的辦法就是按新標準4的要求,在該β=0.6的孔板的上游13D處安裝一個19根管束的流動調整器,安裝工作包括切開線,焊接法蘭,裝入流動調整器,清洗,吹掃,打壓,耐壓測試與試漏等一系列的工作。如果孔板很多,很明顯工作量則相當巨大。

目前已研制出多種新型流動調整器,利用它們有助于在傳統節流 差壓式流量計入口處保持一個較好的速度分布,然而一般說來VNZ流量計則不需要任何流動調整器械.VNZ流量計本身能(修正)矯正已畸變的速度分布.這主要是由于流體與內錐的相互作用,測試結果證明:V形內錐有整流作用,它不但能改善速度分布還能在很大程度上消除旋渦二次流,詳見圖11(a)和圖11(b)[9]

畸變的速度分布 由內錐造成的新的速度分布

圖11(a)內錐的整流作用

圖11(b)V形內錐的整流作用

由于VNZ流量計并不受速度分布的影響,因此可將這種VNZ流量計安裝在一個普通差壓式流量計無法適用的很短的直管上或很 小的安裝地點內.由于減少了上下游直管段及流動調整器,安裝空間及占地面積都大大減少,因此可以使原始投資大大削簡.

一個VNZ流量計的典型安裝圖如圖12所示.請注意VNZ流量計所要求的上游直管為0至3D,而其下游所要求的直管段為0至1D。





圖12 VNZ流量計的典型安裝圖

7.1.2 多聲道氣體超聲流量計(USM)

在現行的我國國標GB/T18604-2001[11]及AGA9號報告[12]中推薦的上游最小直管段長度l1為10D,下游最小直管長度l2 為5D 。

在關于氣體超聲流量計的ISO國標標準(草案)ISO/WD17089[10]中已不再推薦l1 和l2 ,其原因是:由于超聲流量計的類型,其上游的管道配置和流動調整器在具體情況下變化很大,因此要想對超聲流量計上游的直管段實現標準化實際上是不可能的。為克服安裝條件的影響,為減小由于上游管道配置所帶來的誤差,可以采用以下三種方法:

(1) 增加超聲流量計上下游的直管段長度;

(2) 使用流動調整器;并認定流動調整器是USM不可分的一部份。

(3) 在盡可能接近(類似)實際工作條件的條件下進行實流校準因此各個廠家所宣布的推薦的上下游直管段都不相同,例如:Daniel(丹尼爾)公司公布(1)在沒有流動調整器的條件下,SeniorSonic所要求的上游直管段長度L1至少是 20D, L2至少是 5D;(2)當采用CPA50E和丹尼爾的Profiler流動調整器(FC)時,流量計上游L1=10D處應安裝FC,在FC之前(上游)應還有5D的直管段 ;(3)當采用GFC VAS流動調整器時,在l1 =10D處安裝流動調整器,該流動調整器占5D管長,在它的上游至少還有5D的直管段。

Instromet (英斯卓美)公司則宣布:對于該公司的Q.Sonic-4c,超聲流量計表體長度為3D(或4D);在流量計表體前3D處安裝改進型的Spearman厚板式流動調整器(FS-3),在FS-3的上游需要有2D的直管。即l1 總長為5D,下游l2 為2D。這是USM至今最短的上下游直管段要求。然而,如前所述,VNZ流量計所要求的上游最小直管段長度l1 是0至3D;下游最小直管段長度l2 是0至1D,而且不需任何流動調整器,這是任何一種氣體超聲流量計都不能夠與之相比的。

7.1.3氣體渦輪流量計

由于渦輪流量計與超聲流量計一樣同屬于速度式流量計,因此氣體渦輪流量計的性能也同樣受速度分布及旋渦二次流的影響。關于氣體渦輪流量計的國際標準ISO9951:1993(E)規定:在高水平干擾及低水平干擾的下游2D處安裝氣體渦輪流量計,該流量計上、下游的直管段都是2D。受高(或低)水平干擾的影響、氣體渦輪流量計的附加誤差應不大于±0.3%(被測流量值的±0.3%)。因此在氣體渦輪流量計的上游應安裝流動調整器。

為了使氣體渦輪流量計具有抗干擾的能力,Instromet(英斯卓美)公司將所研發的X4X兩級流動調整器整合到SM—RI型渦輪流量計中組成了一體化的SM—RI—X型氣體渦輪流量計。1994—1995年經歐洲、德、法、荷、意等國的五大燃氣企業的聯合測試組GERG的測試證明:SM—RI—X完全符合ISO9951的各項要求。

與SM—RI—X相比,VNZ流量計上游僅要求0至3D的直管段,下游僅要求0—1D 的直管段,而且VNZ流量計不需要整流器。VNZ流量計可測量清潔或臟污的氣體(或液體),在它的上游不需要安裝過濾器,可測高溫流體這些都是它的優點。不足之處是:有關VNZ流量計在ISO9951規定的高∕低水平干擾下游 2D處的全面測試,未見報導,類似的測試有報導。

7.2從儀表的可靠性及信號的穩定性作剖析

大多數的節流式差壓流量計都沒有可動部件,因此可以認為它們在機械性能方面是穩定的,然而,雖然標準孔板早已列入國際標準ISO5167和我國國家標準GB2624,但它在結構上是有其固有弱點的,它在實際使用中是不耐用的。一塊孔板的使用期限可以是十年或更長,但在安裝投運后僅4至5個月,其入口邊緣的尖銳度就已開始遭到破壞。在使用中,由于流體的磨蝕作用,特別是對于高壓、或高流速含顆粒的流體以及高溫蒸汽等,它的入口邊緣將更快地變鈍,被磨成圓形入口邊緣。其結果是:在相同的流量下,孔口后流體的收縮程度減弱,差壓不斷降低,會形成日益增大的負的流量誤差??装宄隹谔幍牧魇钚〗孛娣e在入口被磨蝕后已經增大,如果在此狀況下能夠標定,自然會發現該孔板的流出系數已經增大,但使用中仍沿用按標準公式計算得出的較小的系數。因此會出現日益增大的負的系統誤差??装迨钱斀窀鞴I部門中使用量最大,應用面最廣的一種計量器具,然而它的精確度卻是使用時間的函數,即越用越不準。因此有必要用另一種更先進的節流裝置來取代孔板。其它節流式流量計也有類似的問題??梢钥闯鋈绻麤Q定β值的幾何形狀改變了就會對測量精度有影響,因此對傳統的節流式流量計,流體的磨蝕是影響流量計性能的一個問題。

VNZ流量計的設計和制造,可以確保它決定β值的邊緣不會由于接觸流體而被磨損。當流體流入VNZ流量計表體內時,高速的核心流動將被迫按照流線的路徑與靠近管內壁的邊界層相互作用,于是一個二次形成的邊界層會沿著錐體周圍的區域被重新分布。其純結果就是一個接近于管內流速的完全混合,從而可以使流量計按預計的方式工作,正常發揮其性能。在長期使用后,如果在錐體的前端(即頭部)產生磨蝕,也不會影響VNZ流量計的性能,而且這里通常都使用堅固的材料來制作它或者該處有堅固的支撐結構,如圖13所示[9] 邊 界 層 效 應

圖13錐體周圍的邊界層效應及決定直徑比β值的邊緣

對于大多數其他類型的差壓式流量計信號的穩定性可以是一個主要問題,它們可能會造成信號的多次反射。對于VNZ流量計來說,在其內錐體的尾部產生的是一種高頻率低幅值的旋渦。這種類型的信號會增強差壓變送器的性能,使之能測量更小的差壓,從而使量程比(范圍度)增大。這主要是由于信號并沒有被造成誤差的噪聲所淹沒。在壓縮機控制的使用場合,如使用VNZ流量計將是理想的。

對于內錐體在其尾部所得的是高頻、低幅值的波動信號,如圖14(a)所示。對于孔板,所測得的是低頻、高幅值的波動信號,如圖14(b)這對測量不利。

圖14(a)VNZ流量計信號 圖14(b)孔板的信號

7.3 從幾種流量計的購置費用進行剖析:

一般說超聲的購置費用最高,渦輪流量計的購置費其次,VNZ流量計最低而且它對不同被測介質的適應能力強,對不同工況條件的適應范圍也寬,雷諾數的適用范圍也更寬。其他如測量穩定性好,工作耐用可靠,要求直管段短,適宜測臟污流體更是它的突出優點。因此,VNZ流量計無疑地是一種物美價廉的優秀的流量計,它是取代孔板等差壓式流量計的最佳更新換代的產品。

8.利用VNZ流量計解決流量測量難題的典型用例分析

8.1濕氣體的流量測量難題

采用孔板測量濕氣體時,產生相當大的誤差,這是由于當氣體被水飽和時,差壓變送器的響應時間會造成計量誤差,再加上如孔板的上、下游存留著水時,會造成測量上的難題。當采用VNZ流量計取代了孔板后的結果是獲得了很小的不確定度。其測量結果的前后對比如圖15所示。在圖15的下半部份示出使用孔板測量濕氣體流量的記錄曲線。由于在孔板的上下滯留有水,于是當水積存多了就形成了“氣水相混”的團狀流動的條件。其結果是:使用孔板的計量站的不確定度變成超范圍的增大變寬。而當有氣水相混的團狀流動發生時,VNZ流量計則有很快的響應時間,無積水現象。而且VNZ節流裝置還能同時跟蹤靜壓力的變化。濕氣體流量測量記錄儀上的記錄曲線如圖15所示。該圖的上半部份表明當采用VNZ流量計取代孔板后,它能迅速排除積存的水并正常測量汽團狀流的情況,而該圖的下部是采用孔板時測量汽團狀流流量的記錄曲線。此圖直接取自土地管理局(BLM)計量站的圓圖記錄儀。

關于利用VNZ流量計測量濕氣體流量的最新報告詳見文獻[14]

圖15 采用孔板和VNZ測量濕氣體流量的記錄曲線

8.2焦爐煤氣流量測量難題

焦爐煤氣中的萘和焦油會凝析出來并沉積在孔板上,使得無法利用孔板實現有效的計量,另外它還是一種低靜壓,低流速的氣體,在VNZ 流量計出現之前,焦爐煤氣的流量測量一直是一個眾所周知的難題。請看瑞典的鋼鐵公司是如何利用VNZ(V—cone)流量來解決此難題的。

V—Cone流量計的典型用例分析

焦爐煤氣的流量測量

瑞典 SVENSKT SKAL OXELOSUND

使用的氣質條件:

焦爐煤氣是焦碳生產廠的副產物,在SSAB公司它被用來作為軋鋼廠中窯爐的主要燃料。這種焦爐煤氣包含有許多帶來難題的成份,比如萘、銨的水合物和焦油。這些氣體的組份獨特地會從氣體中分離出來,并在管內壁和管內其他構件上凝析并積結起來。

流且測量的難題:

由于在管道及流量檢測元件的內表面上有固體物質積結,使得對焦爐煤氣的流量監測變得格外困難。這種嚴重的積結經常使文丘利管、孔板和圓缺孔板不能進行有效的、準確的流量測量。除此之外,文丘利管或孔板的取壓孔也會被堵塞,從而使得這些差壓一次元件的輸出,即差壓的測量變得困難,甚至無法測量。

解決辦法:

由Svenskt Stal Oxelosund選用了一個150毫米直徑的V-cone差壓式流量計,其滿刻度差壓為110mm水柱(差壓范圍)以便進行評價。SSAB公司的儀表工程Lekberg先生負責此V-cone流量計的安裝和評價。在連續使用一個月之后,Lekberg先生作了如下的報告:“我們將 V-cone流量計裝上后已使用了一個月,然后我和ANSKO(MCCROMETER公司的當地代表)一起檢查它。使我感到驚奇的是:流量計內部是乾凈的并且在錐形體上也沒有明顯磨損的跡象。該量計的性能也是很優秀的,我們對它十分滿意”。隨后決定將V-cone流量計放到更加嚴峻的條件下去進行試驗。將它留在管道上再運行兩個整月,以便觀察V-cone流量計是否仍能繼續正常工作并看看在錐形體上是否會發現有某種磨損。在試驗滿3個月后,Lekberg先生是這樣陳述的:“經過三個月的試驗之后現在可以說,V-cone流量計的性能要比我們預計的還要好,并且在錐形體的表面也沒有發現磨損的跡象,雖然我們的氣體是被嚴重污染的臟污氣體?!?/p>

這種新形的V-cone流量計解決了焦爐煤氣流量測量中的兩個主要難題:即①固體物質的積結(沉積)和由此造成的β比值的改變以及②差壓測量取壓孔的堵塞。利用 V-cone得以實現這些,是由于它本身具有非常獨特的錐形體元件,錐形體與流體相互作用,使在錐形體上游的速度分布得以重新整形。這樣它不但創造一個最佳的速度分布,而且在上游產生了一個壓力區間,阻止污染物的形成與積結,從而能保持一個恒定的β比值。由于高壓測量孔也位于此壓力區間,因此,高壓測量孔也能保持清潔而不被污染物堵塞。由于V-cone的錐形體能在其自身周圍及其下游產生一個受控制的紊流區,在這紊流區自然能始終保持清潔而不被污染物積結,從而使低壓測量(取壓)孔始終保持干凈。

在SSAB的V-cone流量計一直在繼續正常工作,它不受氣體中污染成分的影響,從而能提供焦爐煤氣的精確的流量數據。

這是一個很成功的應用范例。此用例的具體應用數據附后:

產品序號出90206Y1

標定參數:

被測流體參數:

標稱管道口徑:150mm,管壁厚系列號Sch=40;實際內徑= 154.380mm

被沒流體類型:焦爐煤氣(SSAB公司)

質量:4.40×10-1比重(在60°F)

錐形體最大直徑:138.329mm

粘度:1.20×10-2CP (厘泊)

β值:0.444

等熵指數KE:1.360

滿刻度時的最大差壓值:11.112cmH20柱

流體溫度:tmin=35℃;t工況=45℃;tmax=60℃

流量系數:0.865

管道中的壓力:Pmin=0.08bar(表壓)

P工況=0.1bar(表壓)

Pmax=0.105bar(表壓)

氣體流量:Qmin=80NM3/h;Q工況=300Nm3/h

Qmax=742.996Nm3/h

實際應用:測量范圍(量程比):9︰1;

線性流速:1.1908到1.1059(±01)m/s

雷諾數范圍:8.1189×103至7.5404×104

8.3 VNZ流量計可以成功測量的各種流體

一、氣體

☆煤氣(焦爐煤氣、高爐煤氣、發生爐煤氣)

☆天然氣,包括含濕量5%以上的天然氣

☆ 各種碳氫化合物氣體,包括含濕的HC氣體

☆ 各種稀有氣體,如氫,氦,氬,氧,氮等

☆濕的氯化物氣體

☆空氣,包括含水,含SiO2粒子以及含其它塵埃的空氣

☆煙道氣

二、蒸汽

☆飽和蒸汽

☆過熱蒸汽

三、液體

☆油類,包括原油、燃料油、含水乳化油等

☆水,包括凈水、污水

☆各種水溶液,包括鹽、堿水溶液等

☆含蠟、含油的水

☆含油、沙的水

☆甲苯

☆甲醇、乙二醇等

四、特殊流體

☆油+HC氣+沙

☆加氣的水,如H20+N2+空氣;H2O+CO2等。

9 結論

9.1 對于任何一個測量氣體、液體或蒸汽的場合都可以使用VNZ流量計。如果在該場合要求有高度的耐用性,要求儀表堅固結實和具有長期的使用壽命,那么VNZ流量計應該是設計首選的流量計,它的適用面極寬。從本質上說VNZ流量計是免維護的也不需要進行定期的重新校準。只有當VNZ 流量計是在極端的工作條件下工作時,才有必要對它定期進行檢查 。

9.2 就象對任何一個一次節流裝置一樣。必須配套使用較高質量的差壓變送器及二次儀表才能充分獲得整體優異的系統性能,因此應按照制造廠家的說明書,定期對差壓變送器及二次儀表進行重新校準,

9.3 VNZ流量計雖同屬于節流式差壓流量計,但它獨特的結構、原理、使得它不但測量準確度高,而且不存在孔板的磨損與積污問題,標定出來的流出系數不但可以在現場準確復現,而且可以長期保持不變;再臟的氣體也不會使取壓孔堵塞;它的量程比為10:1或15:1;對安裝直管段僅要求0至3D,它的壓損很小,可以在低靜壓、低流速的流體中實現有效的流量測量。VNZ流量計的優良計量性能使得它適宜普遍用作環境監測工程中的流量儀表,如監測煙道氣的流量、監測各種污染物的排放量等,也可用于天然氣、煤氣、供熱蒸氣、污水等的計量,包括用于貿易輸送的計量與結算。

9.4 就測量精度而言,多聲道超聲、VNZ、精密氣體渦輪,可屬同一檔次,其次為渦街、旋進旋渦、均速管等。如就抗臟污能力和工作穩定性而言,唯有VNZ性能最佳;就其量程比而言,VNZ雖不及超聲和渦輪、渦街等那樣寬,但10:1或15:1用于工業測量已足夠,特別是VNZ 可以測量小雷諾數(低流速)的特性,比一般的量程比寬更有實用意義,特別是用于環境監測。VNZ唯一的缺點是欲獲得較高測量精度必須有質優的差壓變送器與之配套,不過在當今要作到這一點并無多大困難。

9.5 VNZ流量計是基于很成熟的原理工作的,只是它的結構稍有不同,它為差壓式流量計揭開了嶄新的一頁,正在日益顯示其旺盛的生命力。隨著它的推廣使用,將有更多的流量測量難題逐步被解決。

10、參考文獻:

[1]INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-1 2nd edition 2003-03-01

Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running

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Part1:General Principles and requirements;

[2]INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-2 First edition 2003-03-01

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Part2:Orifice Plates;

[3]INTERNATIONAL STANDARD ISO5167-3 First edition 2003-03-01

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Part3:Nozzles and Venturi nozzles;

[4]INTERNATIONAL STANDARD ISO5167-4 First edition 2003-03-01

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Part4:Venturi tubes;

[5] FLOW MEASUREMENT 2001-International Conference

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[6]R.W.Miller, Flow Measurement Engineering Handbook 3rd edition, McGRAW-HILL Book Company,1996

[7]國際流量計量學術動態及發展趨勢,孫延祚,儀器儀表標準化與計量,2002年第3期,33至35頁,第4期,21至25頁。

[8]國際流量計量學術動態及發展趨勢,孫延祚,天然氣工業,2003年1月23卷No.1,84至88頁。

[9]Philip A Lawrence, V-CONE TECHNOLOGY ,DP Metering for the New Milienium, McCROMETER公司公開發表的資料。

[10]ISO/TC30/SC05/WG01撰寫的ISO/WD17089,Measurement of Fluid Flow in Closed Conduits, Ultrasonic Meters for Gas; Draft version 1,Aug.05.2003

[11]中華人民共和國國家標準GB/T 18604-2001,用氣體超聲流量計測量天然氣流量,2001-12-30 發布。2002-08-01實施。中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局發布。

[12]Measurement of Gas By Multipath Ultrasonic Meters Transmission Measurement committee Report No.9, June 1998

[13]International Standard ISO9951 First edition 1993-12-01 Measurement of Gas Flow in Closed conduits-Turbine Meters, Ref. number:ISO9951:1993(E)

[14]North Sea Flow Measurement Workshop, 22nd-25th, Oct. 2002,

David G. Stewart, NEL etc.

Wet Gas Metering with V-cone Meters

[15]FLOMEKO 2003 Paper Ref.NO.011(第6章 第2篇文章)

"Calibration of large High Pressure V-cone Flowmeter at High Reynolds Numbers in the CEESI Iowa Natural Gas Test Facility"

Steve Caldwell; Tom kegel, R.J.W.Peters

[16][美]R.W 米勒編著 孫延祚譯 流量測量工程手冊(第一版) 機械工業出版社 1990年5月 北京 第一版

 

 

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