深度解析取样流量仪表

作者:毛新业 文章来源:中国仪器仪表学会科技评估部 发布时间:2012-10-17

本文介绍了“插入式”流量仪表的原理、类型、应用及其发展中的问题,这种仪表在我国工程中近二、三十年被广泛使用。如果按原理命名,这类仪表应称为取样流量仪表(Sampling Flow Meter),这样有利于明确它的特性与利弊。本文还强调要用好这类仪表,不仅取决于流速准确度,还取决于管道的截面积及流速分布。后二者与应用条件密切相关,而厂商却有意或无意地回避。涉及这类原理的仪表很多,本文着重介绍应用较多的差压式仪表。

自1732年皮托(H. Pitot)通过流体总、静压测流体流速的皮托管后,就开启了通过测通道(含管道)中一点(或多点)流速以推算流量的方法,至今已有几百年的历史。而后来的发展测流速则不限于皮托管,凡是可测流速的仪表,如:涡轮、涡街、文丘里、热式、电磁等都可成为这类流量计。

近几十年随着工程的现代化、大型化,工程中的管径日益增大,将这类仪表做成插入式方便了应用和维修,得到了广泛的应用。

这类仪表结构简单、成本低,总共十几个零件;安装和维护简便,可不断流进行装、拆;压损小,年运行费仅为孔板的几十分之一;适应口径可自几十毫米到数米,特别适用于大管道流量测量。但这类仪表还存在一定的问题,当前现场直管段长度较短,流速分布复杂,误差很大,甚至无法测量;差压式测气体时易于堵塞,且输出差压太低;热式只能测干燥气体,虽不易堵塞,但热敏探头易污染,导致灵敏度下降等。

工作原理

采用取样法测量流量已有几百年的历史,流量测量是测量测管道中一点(或几点)流速,再乘以整个截面。取样法测流量的准确度取决于以下三个因素:

管道的流速分布是否均匀,或符合一定的规律;

流速测量是否准确;

管道截面测量是否准确。

流速分布

直匀流流量qv= AV(1)

(1)式中的A为管道的横截面积(m2),V为通过此截面的流速(m/s)。如果管道中的流速分布为流体力学中的直匀流,即管道截面中的流速V为常数,流量测量非常简单。问题在于在工业管道中并没有直匀流。

充分发展紊流

流程工业从其本身的工艺要求出发,在管道中须安装形形色色的管配件(如阀门、弯头、歧管、变径管、过滤器等)。由于它们的形式及组合方式极多,所引起的管内流速分布也千变万化,难以估计(图1b)。实际流体均有粘性,在流动过程中将因粘性会带动(或制约)相邻层面的流体,这种作用经过约30D(D为管内径)直管段长度后,其流速分布将不再变化,工业中称为充分发展紊流。虽然雷诺数Re、管壁粗糙度对它还有影响,但已可用数学公式进行描述。只有在充分发展紊流中采用取样流量仪表才可能取得一定的准确度,并已有相关一些标准(ISO3354、ISO7145、ISO3966)予以确认。

非充分发展紊流

目前,流程工业不可能考虑流量仪表准确度的需要,提供30D的直管段长度,所以生产现场十之八、九不可能具有充分发展紊流,而且还可能存在漩涡(图1)。图1是华北某电厂二次风管道布局图,说明现场管道中流速分布十分复杂。

由图1可见,采用测一点流速(如双文丘里;热式;插入式涡街、涡轮;测管等),及直线上多点流速(如各种类型的均速管)来推算流量,将会有极大的误差。在截面积为0.9×1.1m2的矩形管中安装了3根均速管(图1c),因存在漩涡,出现当流量增大时输出差压反而减小的现象,完全无法有效测量流量。

面对千变万化的工业流场,如要准确测量流量,按(2)式增加流速的测点以充分反映管道中的流速分布,显然难以实现。工程中是将管道(含通道,如江、河)中某一截面划分为有限的单元面积Ai,并假设流经其中的流速Vi近似相等(3式)。这种方法也称为速度—面积法(Velocity—Area Method)。

流速测量

从以上3个公式可见,式中的Vi即流速,厂家所生产的“插入式”流量计实质上只是一个流速计,它必须插入到管道中,才能成为流量计。以测管道中单点流速推算流量的这类仪表,如:双文丘里;皮托管;插入式涡街、插入式涡轮、测管等应在风洞中标定,确定其流速系数。因为只有风洞才可能产生一个截面上流速完全相等的直匀流,可在同一截面上安置一个流速基准,以此确定上述插入式流量计的流速系数。

而对于测管道直径上多点总压和静压以推算流量的流量计,如均速管则不同,它应在充分发展紊流中标定以确定其流量系数。因为多点的总静压在均速管内平均后输出的只有一对总压和静压,管内的平均过程比较复杂,由此推算的流速并不等于管道中的平均流速。不少国外均速管厂家,均照此办理,不过管径仅0.3~0.4m,远远小于使用管径。说明即使这些厂家用1~2m的均速管,其流量系数也是推算的,不够准确。

管道截面

上述公式说明,取样流量计的流量计算都必须考虑流通面积的大小,而生产厂家往往只精心制作流量计本身,忽略了管道。从此类仪表的误差分析来看,截面的误差对流量准确度的影响将4倍于流量计输出差压的误差,说明准确测量流通截面的重要性。

仪表类型

凡可测流速的仪表插入管道均可成为流量计。较为通用的有以下几种:

双文丘里管,早于40年前,美国Taylar公司已有产品推向市场,称皮托一文丘利管(Pitot Venturi Tube)(见图2a)。近年,国内厂商按此原理推出产品,称为双文丘利管(图2b),区别仅是前者高压取自支持杆,而后者取自管壁,在同样流量下,后者输出差压将略小于前者。其原理是在同样的流量下可获得更大的输出差压,较适用于大管道的低流速气体流量测量。

插入式流量计(图3),凡是可以反映流速大小的流量计,如涡街、涡轮、电磁、热式等都可以做成外径约为50mm的测量头(如图3所示),成为插入式流量计,由于它们都仅测一点流速,管道中流速分布对其影响很大,因而准确度较低,仅用于要求流量准确度不太高的监测领域。

测位于直径上多点流速

在均速管中,以皮托管测速原理为基础,当直管道足够长时管内流速分布为充分发展紊流,等速线为同心圆,才有可能仅测直径上几点流速即可反映整个截面的流速分布。一般在检测杆迎流向有数对总压检测孔,所测总压平均后也传至变送器,两个压力差的平方根与流量成正比(图4)。近四十年有不少改进,但多受限于检测杆的形状,简述如下:

圆形(图5a),上世纪60年代末期推出,使用后发现存在“阻力危机”现象,引起了K系数不稳定而影响了流量准确度,已于30多年前被淘汰。

菱型-Ⅱ型(图5b),1978年由DSI公司推出,检测杆横截面为菱形,流体分离点固定在菱形拐角处,解决了“阻力危机”带来的流量系数不稳定的问题,但是背压通过一个内径约3毫米的细管引至变送器,使用中背压孔易堵塞的缺点。

机翼、椭圆型(图5c),设计这两种截面形状的目的都是为了减少迎风阻力,其实无论那种均速管永久压损都仅只有几十帕,可以忽略不计。但可用于测量流速高、密度大的过热蒸汽。

菱形-Ⅱ组合式(图5d),1984年由美国DSI公司推出,它由一个菱形型材,两个三角形型材组合而成,这种结构因型材公差较大,当温度变化时,过盈易泄漏;太紧初始应力过大削弱了强度,现也逐渐淘汰。

菱形-Ⅱ一体式(图5e),上世纪90年代初相继由德国IA公司及Systec公司推出分别称为Itabar及Deltaflow。结构特点是用中隔板将高低压分隔为两个空腔,我国已可生产推出市场,价格较国外产品低。

弹头型(图5f),1992年由美国Veris公司研制推出称Verabar(威力巴)。主要特点检测杆截面形状为弹头型,头部作了粗糙处理(粗糙度x/ks~200),厂家宣传这样做可保证在检测杆表面形成紊流附面层,从而推高了准确度,相对其他因素(直管长度、管内径等)这些改进微不足道。而由于静压取自二侧,输出差压较其他均速管小30%~50%。

T型(图5g),2001年美国DSI公司推出,称Annubar-485,检测杆横截面为T型,正对流向有二排密集约2毫米的小孔(即使用细缝代替,也仅是反映截面中直线上的流速)。厂家却宣称由于总压取压孔几乎占整个直径的85%,可获取“更多的流速分布信息”,准确度可达到令人匪夷所思的±0.75%。结构复杂,成本高,测压孔过小易堵塞。目前在我国流量市场均速管主要选用的是5e、5f两种形式。

需要满足更高应用要求

20世纪六十年代,随着流程工业的现代化,管径0.5~2m逐渐增多,采用取样原理、插入安装形式的流量仪表,结构简单、成本低、维修简便,颇受用户欢迎,占有较大的市场份额。由于它结构过于简单,现场情况又十分复杂,难以保证准确度。

进入九十年代,工业规模迅速增大,对流量计量准确度提出了更为苛刻的要求,上述的取样流量仪表已难以满足要求。分析如下:

流场,目前工业管道日益壮大,直管段长度不足,管内流速分布十之八九如图1所示为非充分发展紊流,且多有漩涡,上述取样流量仪表不可能充分反映,得不到必要的准确度。

标定,如图3所示的取样流量仪表,测量头只是一个流速计,应在风洞中标定流速系数,且阻塞比S应小于0.02。当前仍有厂家将整台流量计置于风洞进行标定,但这种标定方式与均速管都是流量计,均应在充分发展紊流中进行标定。

研发,从图5可见,40年来,均速管的研发着重于检测杆的形状,而对其准确度起决定性作用的是它的应用条件,厂家有意或无意忽视(或回避)了这个问题。

大管道气体流量测量系统

当无法改变工程现场条件时,可以采取措施改善现场条件,以达到准确测量风量的目的。

整流器

①必要性 当管中流速分布十分复杂,可以通过增加流速测量点准确进行描述,但如存在漩涡,且其大小及位置随流量大小不断变化,不清除漩涡就无法正确测量流量。当前最有效的办法就是采用整流器(图6)。

②蜂窝状结构 这种整流器不同于ISO-TC30所推荐的整流器,而是选用用于风洞设备中的蜂窝状整流器。

特点是:流通面积/管道截面比值较大,以减小压力损失。整流器的整流叶长L不宜太长,但又应具有较好的整流效果,如整流器单元孔径为d,则d/L取在1/5~1/10之间为宜。

③收缩弧形板 实施中蜂窝状结构因费用高、安装繁等原因用户常不愿选用。是否还有其他的办法?如采用收缩弧形板是一种简而易行的办法(图10),从流体力学原理分析,流体在收缩弧形板中加速有利于减小漩涡甚至消除漩涡。

多点流速计

①AM多点流量计(图7)

根据皮托管测速原理,通过测流体总静压之差推算流速,测点位置及数量按相关规范组成矩阵,充分反映管道中流速分布;流速计如采用圆管截面,当管径大于1m,空气流速大于2m/s时,雷诺数已超过106,采用圆截面管道已不存在“阻力危机”问题,而且还易于制造降低成本。

总压孔 总压孔加工了一个凹形槽,当气流偏斜±20%时,仍可准确测量差压。

静压孔 根据菲克亥尔摩方法,圆管在迎向流向±30%处压力分布,为理想静压孔的位置,因而流速系数等于1,可以避免圆管上压力分布带来的误差,但在相同流速下,输出差压将比均速管小50%。

对此,笔者有质疑曾实测验证,圆管迎流向确存在一个“区域”,此处为理想静压,只是十分狭窄,仅1°~2°,气流稍有偏离,即将产生很大的误差,而圆管后却有±70°稳定的静压区,考虑安装的误差,现场流速分布的复杂性等因素,对此建议静压孔仍应处于圆管后方。

②防堵变异多点流量计(图8)

为我国东部某高校推出,原理虽仍采用取样法,但安装并非插入式,结构源于一种所谓“背靠背”皮托管。如图8所示,其总压孔为一斜切的椭圆孔,如垂直安装在水平管道的上方,气体中的污物(粉尘、液滴等)可因重力流出到主管,然后被吹除,(类似的产品还有S型皮托管、测管等)。由图8可见,这种多点流速计其阻塞比S几乎达到了40%,极大的阻塞、干扰了流场,且总压孔中的“除尘棒”频频折断,又难以维修。③热式多点流量计 当前较多用于测单点流速的流量计,优点是不易堵塞;灵敏度高可测0.05m/s以上的流速;但只能测干燥的气体流量;温度低于300℃,且探头易于污染,导致灵敏度下降。原则上也可研发为多点流速计,但不似差压式将所测多点总、静压平均后输出,因此,每一个热点探头都需在风洞中进行流速标定,工艺过程比较复杂,目前似尚未见有成熟的产品推出。

吹扫机

为解决粉尘的堵塞,采用吹扫装置可取得较好的效果,确保流量计长期可靠的工作。如AM公司提供的自动吹扫装置(Auto-purge),该装置可根据现场的需要设定吹扫的间隔时间(每小时、数小时或一天吹扫一次),而每次吹扫持续的时间也可在30~120s范围内设定,吹扫时将自动关闭测量阀门,保证不影响测量数据,整个过程设定后均由计算机自动完成。

流量计算机

当前工业管径已达5~6m,直管段十分短,流速分布极其复杂,只有采用取样多点流速计。根据速度面积法在一个截面上测几十点流速,才可能充分反映管道中的流速分布,以确保流量测量的准确度,以下因素应当考虑:每一个测点不仅因流速不同差压值会有差异;温度、压力也因不等需进行补偿;因测点位置不同加权系数也不相同(见IS03966)等,计算十分复杂。采用的流量计算机就轻而易举了。

现场校验

单台流量仪表已很难准确测量大管道气体流量,必需由以上各部分组成系统,但尚无合适的试验室来校验千变万化的现场。校验必需在现场解决。

1.上述的各种差压式流速计,无论测多少点的总压和静压,在检测杆中汇总后输出的只有两个总压和静压。它的平方根虽与流量成正比,但据此计算的流速;并非管道中的平均流速。

2.测量的高压和低压并非真实的总压和静压值,因为总压孔未必正对流向,仅部分流体的动能进入总压孔,滞止后的总压(此处称高压)将低于流体的总压;而低压孔往往取自流速计背流向一侧,其低压值往往低于真实静压的50%。

3.流速计的阻塞作用。多支流速计会形成一定的迎风截面,将减小测量截面的流通面积,增大气体的流速。

4.有限测点无法反映管道中的流速分布。实际应用时必需通过现场校验取得流量系数,再用流量系数进行修正以得到真实的流量值。

实际应用

图9所示为美国AM公司(Air Monitor Co)推出的矩形大管道取样流量计,它的进口安装了蜂窝整流器,消除了漩涡,然后用多点流速计测量流速分布。总压和静压检测杆共6根,均采用圆管分别测量,由于通过整流后的流体,流向基本上平行于轴线,测量截面上无横向流动,静压较均衡,所以,总压测管为4根,而静压测管仅需两根,即总压测点将一倍于静压。此外,它还安装了温度探头,其实可用薄膜温度传感器,贴在中间的总压平均歧管上,以减小阻塞比。

图10所示为一带收缩弧形板(图中注明为喷嘴)的取样流量计,如为矩形大管道,从工艺角度仅采用两片收缩弧形板比蜂窝整流器简单,而且还可增加流速,加大输出差压。图中所示的流速测量矩阵,即多点流速计,可以不用采用皮托管,可以像AM公司直接在检测杆上钻孔测取总压和静压就行。

工艺与仪表

长期以来检测仪表在流程工业中都处于配角地位,工艺提出的要求,仪表只能想尽设法予以满足,准确检测工艺过程中的各种参数有助于提高产品质量,促进节能减排。但长期以来工艺却很少考虑仪表的要求。管径日益增大,直管段长度减小,流量测量准确度却要求更高,发展、改进的空间越来越窄。如果工艺设计能适度考虑一下仪表的要求,在结构上做一些改进,则将事半功倍,给提高流量测量准确度很大的支持,只要工艺心系仪表、仪表则可优化工艺,关系密切。

举例说明

风门、阀门,火电厂控制风量大小多采用向一侧开启的风门,它将流体推向管道一侧,不仅造成流速分布不均匀,而且产生漩涡,形成如图1所示的流速分布;如果采用相向开启的风门,将会改善流场,在较短的直管段长度条件下,取得较高的准确度。

众所周知,闸阀、蝶阀都会恶化流场,而如果采用梭式阀则有可能改善流场,其阀芯是一个梭体,通过轴向移动改变环形通道的大小达到调节流量大小的目的。

弯头,将现在所用的直角弯头改为带导流片的圆弧弯头,将抑制漩涡生成,改善流场。

扩张管,当扩张角大于15°时,流体易分离;如在其中安装同心的扩张环,将有助于抑制分离,产生漩涡。

歧管,从歧管进入主管的流体,不是从主管的一处,而是从主管圆周上的多处进入,将有助于改善流场。

上述各例只是说明工艺只要心系仪表,略加改进,就有助于提高流量仪表的技术性能的思想。

小结

取样流量仪表是否取得较好的测量效果的核心是应用条件必须流场,不能回避仪表的研发、校验和应用。

风洞是研究航空、航天的高科技试验设备,只能提供直匀流,可以校验取样流量计的测量头,给出流速系数,但不能校验整台取样流量计,因为流量计应用的现场不可能提供直匀流,流场不同,校验就失去意义。
 

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