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节流装置如何面对ISO5167新标准
xiao_xiao1 发表于 2009/10/15 14:26:59 693 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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长期以来，节流装置（孔板、喷咀、文丘利管）因适用于多种流体（气体、液体、蒸汽），且耐高温高压，在许多行业中，如化工、电力、钢铁、冶金、石油天然气、建材……多采用它用以监测流量参数。在流量仪表市场中，约占60%以上的份额。对于这种量大面广的仪表，国际标准化组织 “封闭管道中流体流量测量专业委员会”（ISOTC30）极为重视，制定了节流装置流量测量标准ISO5167，并根据使用中的问题不断修改完善。我国的节流装置国家标准（GB/T2624-93），在市场全球化的思想指导下，与其接轨，也等效采用ISO-5167。国际标准化组织ISOTC30经二年多的讨论酝酿，重新修订了ISO5167，並于2003年3月公布执行ISO-5167新的标准，引起了国内流量专业人士的关注。
1 ISO5167新标准修改的主要内容：
1.在没有流动调整器条件下，对节流装置（孔板、文丘利管）上游所要求的直管段普遍提出了更长的要求；
2.建议在节流装置上游安装流动调整器，以适当缩短所要求的直管段长度；
3.根据大量数据回归的R/G公式取代原来的sto1z公式；
4.采用新公式来计算孔板的可膨胀系数；
5.修订了关于孔板不同轴度、不平度及上游管内壁粗糙度的限制要求。
以上5条，对使用者来说主要关心的是1、2二条；
2 流动调整器（Flow Conditioner）
在直管段达不到表1的要求长度时，管道中的流速分布不是充分发展紊流，流速分布不对称，有畸变还可能有漩涡、回流（图1）。ISO5167新标准建议采用流动调整器，认为选用后可改善流动情况，无需过长的直管段即可达到新标准的要求。
流动调整器的结构，主要有以下三种类型：①多孔板 在一个平板上钻多个圆孔，这种结构将有助于改善流速分布；但不能清除旋涡；②管束 有助于减小、消除流动中的漩涡。③综合型 将以上二种结合起来，由ISO推荐的Zanker及由ASME推荐的Sprenkle等流动调整器即综合型结构。
图2所示的三类流动调整器的主要功能，a类可减小漩涡，压损较小，但效果较差；b类，可减少、消除漩涡。并改善中等程序的流速分布畸变，压损较大；c类在消除漩涡及改善流速分布的性能均优于a、b二种类型，压损也较大。
图2C所示的综合型流动调整器；效果均较好，但Zanker及Sprenkle的结构都太复杂，制造成本较高；而R.W.Miller所推荐的Ｍitsubishi调整器结构较简单，仅在一个厚为0.13D的板上钻35个0.13Ｄ的圆孔，效果较好，不太复杂，易于制造，压损中等。
在直管段长度达不到要求时采用ISOTC30推荐的流动调整器，并非万全之计，它在改善了流动情况的同时，又带来了以下弊病：①增加成本。制造一台流量调整器的成本不亚于一台流量计。②增加安装、维修工作量。③易于堵塞。采用流动调整器缘于在直管段达不到ISO5167新标准要求的长度，仍希望维持孔板等节流装置较高准确度的一项技术措施。可事与愿违，由于效果好的流量调整器均易于堵塞，并造成了流动的畸变，它又反过来降低了测量准确度。因此，采用流动调整器并非上策，要彻底解决问题，只有采用新型节流装置。此时，业内比较关注的是采用环形通道流量计。
3 环形通道流量计
3.1内锥式流量计
上世纪80年代中期，由美国MCCROMETER公司研制、推出了这种新型节流装置，由于内锥具有整流作用，要求前、后直管段长度都很小。特别适用于ISO5167新标准公布后所面临的困境。我国天津、上海、宁夏均有产品推向市场。
原理：
内锥式流量计仍是一种通过节流测取差压以推算流量大小的节流装置。节流件为一个悬挂在管道中央的锥形体，前锥角约30°,后锥角约150°。高压P1取自锥体前流体未扰动（即未形成节流，流体未加速）的管壁；低压P2取自后锥体中央，并通过内锥支承杆引至管外，其差压△P的平方根与流量成正比。计算与孔板、喷咀等类似，只是需要将环形通道面积折合为孔板内孔面积，计算公式如下：
计算公式
（1）qv为容积流量；C为流出系数；ε气体膨胀系数；βv为等效直径比；d为等效内孔直径；ΔP输出差压；S1流体密度。
等效βV由下式决定：
（2）式中dv为内锥的最大模截面的直径，可按下式求出。
②突出的优点
1）锥体整流，缩短直管段。
长期以来，人们都认为变径管（或称异径管）是破坏流场的，无论管径由小变大，或由大变小后都要求基本相同的直管段。其实，收缩管（即管道截面由大变小）将促使流体加速，其效果具有消除漩涡、促进流动层面的相互作用，在一定条件下可以在较短的长度内达到较理想的流速分布。内锥式流量计使流通截面由大变小，其效果相当于一个流动调整器，可以缩短节流装置所必需的直管段长度；至于是否短到厂家所说仅为0~3D，还有待试验证实。
2）边缘耐磨，改善稳定性。
几十年来，孔板曾被公认为是一种不用实标的准确流量计，常用于物流的计量核算，而它的长期稳定性是值得质疑的。根据节流装置标准的规定，孔板的节流孔边缘厚度e仅为0.005~0.02D。而在使用过程中，在锐角处流速最高，流体的冲刷也最强烈，使用不久锐边将变钝，并产生毛刺不再光滑，流量系数也将随之变化。
而内锥式流量计则不然，在锥体的最大截面的边缘，由于附面层的保护，其表面流速并不高，附面层减缓了冲刷的力度，且边缘是一个钝体而不是锐角，也经得起冲刷。
3）环形通道，适用于脏污流。
各工程中现场中的流体都难以保证洁净，多年来，节流装置中采用最多的孔板，由于其上、下游会形成一个滞流区，流体中的脏污物、凝折物等将滞留在这个区域，日积月累，将改变节流比β值，引起流量系数的变化；其次污物还会阻塞测压孔，使孔板难以正常工作。
而内锥式流量的节流部分的环形通道，锥体前后难以形成滞流区，当流体流过边缘时，因流速高，任何脏污物、凝析物，将被冲走难以滞留。因此它适用于脏污流体，特别是气液、气固、液固二相流体。
③主要技术参数（根据厂家技术资料）
1）所要求的直管段上游约0~3D，下游0~1D；
2）准确度可达±0.5%；重复性为0.1%；
3）采用智能差压变送器，量程比可达15:1以上；
4）具有自动清除作用，适用流体极为广泛，如气固、液固二相脏污流体均可使用；
5）压损较孔板小;
6）压力上限6Mpa，温度上限可达600℃；
④不足之处
近三年，由于媒体、各种会议、研讨会的宣传，在我国大江南北形成了一股"内锥热"，几乎50％以上的流量仪表生产厂家都在生产、推出这种流量计，似乎十分完美无缺了，而认真分析，它尚有以下问题值得商榷：
1）直管段长度。厂商介绍其前直管段仅需0～3D。众所周知，在阻力件（弯头、闸伐、歧管、变径管……）后，会产生漩涡及二次流，完全消失，经实测常达到5～7D，内锥确有整流作用。但当流体尚未达到内锥体之前，未必可"遥控"整流。神奇到厂商所描述的那样理想，甚至（如其附图所示）达到均直流场，确难以令人信服。
2）结构：内锥体由一根支杆悬挂在管道中央，这种单臂悬挂方式，从力学角度来讲，不太稳定，且易产生振动。为保证足够的刚性，就势必要加粗支杆，而这样做又将破坏了流场的对称性。
3）取压点，内锥式仍通过测取差压推算流量，其高压取自内锥前管璧，这里的流动情况由于阻力件的影响，还可能存在漩涡及二次流；而低压取自后锥体中心，此处由于横截面突然扩大，是一个强烈的漩涡区，压力波动幅度较大。此外，高压取自管璧，那里的流动并不等于零，并不是总压，在这二处取差既不稳定，又未测取到最大值，未必合理。
4）准确度，鉴于上述三个问题，准确度是否能达到厂商所宣传的±0.5%，就令人置疑了。当然在实验室标定，由于流场较为理想有可能达到较高的重复性。但这里要强调说明的是重复性而不是准确度，准确度还应包含标定装置的不确定度。况且由于现场难以提供标定装置那样的流动条件，所以不能照搬流量系数，来保证标定的准确度。
5）不可恢复压损。内锥后由于截面扩大，将产生强烈的漩涡，它的产生、消失是一个不可逆的非等熵过程，必将产生较大的压力损失，内锥式流量并非是压损小的节能产品。
3.2 环形孔板（图4）
环形孔板早于1939年由美国学者Howell提出，并进行了一些测试，上世纪60年代英国NEL在此基础上再次进行了试验，进入实用阶段并推出了产品，开始应用于工程中，我国应用它约近十多年的事。
它的结构如图4所示，在管道中同心地固定了一个圆板，其外径小于管道内径，形成了环形通道，这个通道使不同比重的二相流（液固、气固）各行其道，比重大的固体介质从下方通过，比重小的从上方通过，开发这种仪表的初衷是为了解决二相流的流量测量，因经典节流装置会有固态物质滞留区，而难以正常工作。而实用表明，环形通道对上游直管段长度的要求，并没有经典节流装置那么苛刻，这也是它的一个突出优点，不足的是当βT直接近于0.9时流量系数不太稳定，其次压损较大，运行费用较高。
3.3 梭式流量计（图5）
为应对IS05167新标准公布后的困境，并分析了相关仪表的优点及不足，近期推出了一种新型环形通道节流装置----梭式流量计，它已于2005年10月19日由我国专利局授权，公布，具有我国独立知识产权的专利产品（专利号ZL200420061026.9）。
它的主要结构如图5所示，梭形节流体由三个剖面为翼形的支杆固定在管道中。当前直管段较长（L>7D）时，由于环形通道的整流作用，管内流速分布接近于充分发展紊流，总压取自前锥体中央一点，由于此处流体的动能全部转化为位能，应是整个管道截面的最高压力；而静压（低压）则取自环形通道最窄处管璧上，位于二个支杆之间，与其相距约60度，此处取的静压因流速最高因而压力最低，受干扰最小。
当前直管段较短时（L<5D）,为充分考虑管道中的流速分布虽经前锥体整流但未必达到理想状态，取一点总压不可能代表整个截面流动情况。此时，总压取自三个支杆，每个支杆上取3～4点，在整个环形通道上将取9～12点，即使前直管段较短，也将充分反映环形通道的流速分布，为提高流量测量准确度建立了可靠的依据。
梭式流量计的尾部可使在环形通道中加速的流体在后锥部分在不分离的条件下减速增压，动能逐步、充分地转化为位能，接近于等熵可逆过程，使不可恢复压损，降至最小，因而是节能产品。在我国倡导建立节约性经济的形势下，有较大的意义。
4、 小结
1.流动调整器
面对IS05167新标准对前直管长度提出了更苛刻的要求，提出了采用流动调整器，笔者认为它将带来不少新问题，如增大成本，加大维修量……，并非上策，而从近期召开的国际学术会议（FLOMKO2004、2005，INSFMW2004）等来看，在贸易全球化，对物流的核算要求更高，流量计量要求更准的前提下，在无法满足直管长度时，仍不得不用流动调整器。
2.环形通道节流装置
这是一类对前管段长度要求不高，又可解决二相流量测量的仪表，也成为当前流量行业中较热门的课题之一，而优势与否仍有待实践证明，用户认可。况且它们都还未标准化,每台均需标定，大量推行尚需有一个过程，并非一朝一夕之事。由于影响流量仪表的因素较多，每一种产品都只能在某一领域中各尽所长，发挥作用，尚没有一种十分完善的、可取代其他一切的流量仪表。就以专利产品梭式流量计来说，虽然它是针对内锥式的不足做了一些改进，但又带来了较为笨重只适用口径较小（如D<500）的缺点。所以宣传、推销都应实事求是，留有余地。