V锥流量计的市场应用

2019-01-25 08:24:58

摘要:按照2003年3月由国际标准化组织公布执行的ISO5167最新国际标准的要求,孔板和文丘里管上游要求更长的直管段,“V”型内锥式流量计将取代目前我国广泛使用的孔板、喷嘴和文丘里管等流量计。介绍了新一代的差压式流量计——“V”型内锥式V锥流量计的工作原理、结构、整机系统组成及主要技术指标和性能,对它的优缺点进行了分析研究。结果表明:该流量计抗污染能力强,工作稳定,可解决湿气体流量测量和焦炉煤气测量的难题;还可有效完成对低静压、低流速流体的测量。因此适用于天然气、煤气、供热蒸气、污水等介质以及环境监测工程中的流量计量。还报道了该流量计的典型应用和最新进展。

“V”型内锥式流量计(V锥流量计)是利用同轴安装在管道中的“V”形尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁,通过测量此“V”形内锥体前后的差压来测量流量的。经过10多年来的多次测试和应用证明:利用流量计能在更短的直管段条件下,以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确更有效的流量测量。

基本原理与结构

“V”形内锥式节流装置包括一个在测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的,在尖圆锥体的两端产生差压。此差压的高压(正压)是在上游流体收缩前的管壁取压口处测得的静压力p1,如图1所示,而低压力(负压)

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则是在圆锥体朝向下游端面锥中心轴处所开取压孔处的压力p2。该圆锥体的顶尖朝向来流,该圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区,如图1所示。

由于流体不是被迫收缩到管道中心轴线附近,并且也不再是一个阻挡物(节流件)令流体突然改变流动方向,而是利用这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩(节流),使“V”形内锥式流量计具有了一系列独特的优点。这种流量计在其节流件的下游只会产生高频低幅的喘流(小涡流),因而差压变送器所测量到的差压△p信号便是低噪声信号。这样在低压力的取压孔处可以测得灵敏度(分辨率)优于2.5mm水柱的压力。这就能够只用一个差压变送器就获得很宽的量程比(范围度)(量程比可大于15:1)和很好的重复性,使重复性优于士0.1%成为可能。

1.“V”形锥技术的特征

所有各种节流式差压流量计都使用同一形式的数学方程式,普遍适用的计算工况下实际流量的公式如式(1)、(2)所示。只是在确定尺寸和具体实现

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流量测量方面,各种节流式流量计有某些微小的差别。对于“V”形内锥式节流装置,在以上的式(1)、

(2)流量计算公式中,应采用等效的开孔直径和等效的β值。例如,在式(1)、(2)中,应该用等效值(D2-d4)取代d2。同时对于V锥流量计应该用一个等效的β值(即Bv)代入以上的式(1)、(2)取代公式中原有的β值。这个工况下等效的B值(B),可按下式求出:

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式中:D表示工况下测量管的内径,m;dv表示工况下尖锥体最大横截面处圆的直径,m;B/表示 节流装置的等效直径比,无量纲。

可按下式计算dv:

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式中dv和D皆指在工况条件下的尺寸。

与孔板(或喷嘴)类同的节流件等效开孔直径:

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2.V锥流量计的气体可膨胀性系数如果被测介质是气体或蒸气,则必须使用气体可膨胀性系数e来修正柏努利方程。这是因为在节流件两端由于压力变化所造成的气体密度p的变化并不适用于液体。对于气体,必须用e乘以C(即用e来修正流出系数C)。对于V锥流量计的E的计算公式的如下:

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式中:△p一般表示在常用流量下,内锥前后的常用差压,Pa;B表示节流装置的等效直径比,即Bv;k表示被测介质(可压缩流体)的等熵指数;p;表示工况下节流件(内锥)上游取压孔处可压缩流体的绝对静压,Pa。

对于每一个V锥流量计,在流量公式中所采用的流出系数C是通过流量标定而获得的。C的典型数值范围是0.75~0.85。对于气体或蒸气介质的可膨胀性系数e可按式(6)计算。一个V锥流量计由节流装置、差压信号管线、三阀组组件、差压变送器及流量计算及显示仪组成,其整机接线示意图2所示。

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3.节流装置的3种结构型式(1)精密测量管型(图3a),其口径范围一般为15~900mm。

(2)维夫(Wafer)式,即法兰夹装式(图3b),其口径范围为15~150mm。

(3)插入(带顶部管壁)式(图3c),其口径范围为

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150~1800mm,由于无法进行校准,精度较差,不确定度介于3%~5%,但测量值的重复性仍然很好。

V锥流量计的主要性能指标与特点

(1)在精密测量管中的内锥的标准等效直径比B分别等于0.45、0.55、0.65、0.75和0.85。

(2)在各种阻流件的下游安装V锥流量计时,所要求的直管段都大大缩短,一般上游要求有0至3D的直管段(当流量计安装在阀门的下游时,要求3D);下游要求有0至1D的直管段。

例如:经测试将V锥流量计安装在单弯头之后,在0至20D的距离内,流出系数C的变化全部在士0.5%以内,如图4所示。

将V锥流量计安装在不在同一平面的双弯头

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后,在0至100D的距离内,流出系数C变化全部在士1%以内,如图5所示。

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(3)在绝大多数的使用场所,V锥流量计的测量精确度达士0.5%。

(4)重复性为士0.1%。

(5)典型的范围度(量程比)为15:1。

(6)最小雷诺数为8000,对于雷诺数低于8000的场所,要采用一个拟合的关系式。

(7)沿测量管的内壁由被测流体自行实现完全的自清扫,所以可以自行消除液中的含气或气中的含液以及气或液中所含的固体颗粒,将它们吹向下游,始终确保无污物在流量计中沉积或堆积。

(8)采用标准化的圆锥尺寸,可以减小压损并增大流量测量范围。

(9)测量管中的设计压力可达4~6MPa。

(10)工作温度可达370~640℃。

(11)在“V”形锥的下游能更好的实现流体的混合,它是一个良好的混合器。

V锥流量计的优缺点

1.优点

(1)准确度优于实测流量的士0.5%,根据最新

报导15),在CEESI的依阿华(IOWA)的天然气大流量测试装置上,曾对一批口径为457~711mm的V锥流量计进行了测试,其不确定度介于士0.118%~士0.203%,对两个相同口径(660mm)的V锥流量计测试后,所有测试点的总离散度在士

0.55%以内。该不确定度水平与其他各种气体流量计相当。

(2)这种流量计的量程比:典型值为15:1,至少可有10:1的量程比。

(3)重复性优于士0.1%。

(4)安装时所要求直管段很短,上游要求0至3

D,下游要求0至1D;不需要在V锥流量计的上游安装流动调整器。

(5)流量计结构设计是流体扫过型结构,不可能截留流体中任何夹带的气、液或固相污物,非常适用于对脏污流体的流量测量,如焦炉煤气、湿气体等(表1)。

(6)专用特殊设计的内锥体可以减弱被测压力(差压)场中脉动(振荡)的幅值,从而减小差压信号中的噪声。可测量更小流量,使量程比拓宽。

(7)无可动部件。

(8)当流体流经具有特殊廓形的内锥体时,会在其周边形成边界层并疏导流体离开锥体尾部的边缘,从而减少它被磨损的可能性。

(9)由于压损小,适用于低静压流体流量测量场合,如烟道气。

2.缺点

(1)当要求V锥流量计具有优于士0.5%的精确度时,对每一台流量计都要求在尽可能接近使用条件的校准装置上对它进行实流校准,即标定它的流出系数C。

(2)V锥流量计尚未达到标准化的程度。

(3)由于结构原因,无法用一台V锥流量计适应双向流的流量测量要求。

典型产品剖析

1.从速度分布、流动调整及直管段要求作横向剖析

为了获得好的速度分布并且将旋转二次流(涡流)从被测流体中消除,并且为了尽可能的缩短流量计上下游的直管段,大多数的流量计(如节流差压式、超声、涡轮或涡街流量计)都要求在其上游安装

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流动调整器。

然而V锥流量计一般是不需要任何流动调整器械的,因为V锥流量计本身能(修正)矫正已畸变的速度分布。这主要是由于流体与内锥的相互作用。测试结果证明:“V”形内锥有整流作用,它不但能改善速度分布还能在很大程度上消除旋涡二次流,详见图6、7。

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由于V锥流量计并不受速度分布的影响,因此可将这种V锥流量计安装在一个普通差压式流量计无法适用的很短的直管上或很小的安装地点内。由于减少了上下游直管段及流动调整器,安装空间及占地面积都大大减少,从而大大节省投资。一个V锥流量计的典型安装图如图8所示。

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请注意V锥流量计所要求的上游直管为0~3

D,而其下游所要求的直管段为0~1D。

2.从仪表的可靠性及信号的稳定性作剖析大多数的节流式差压流量计都没有可动部件,因此可以认为它们在机械性能方面是稳定的,但是对传统的节流式流量计,流体的磨蚀要影响流量计的性能。

V锥流量计的设计和制造,可以确保它决定β

值的边缘不会由于接触流体而被磨损。当流体流入V锥流量计表体内时,高速的核心流动将被迫按照流线的路径靠近管内壁的边界层,于是形成的一个二次形成的边界层会沿着锥体周围的区域被重新分布。其结果就是一个接近于管内流速的完全混合,如图9所示②从而可以使流量计按预计的方式工作,正常发挥其性能。在长期使用后,如果在锥体的前端(即头部)产生磨蚀,也不会影响V锥流量计的性能,而且通常又都使用坚硬的材料制作或者有坚固的支撑结构。

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对于大多数其他类型的差压式流量计而言,信号的稳定性是一个主要问题,它们可能会造成信号的多次反射。而对于V锥流量计来说,在内锥体的尾部产生的是一种高频率低幅值的旋涡。这种类型的信号会增强差压变送器的性能,使之能测量更小的差压,从而使量程比(范围度)增大。这主要是由于信号并没有被造成误差的噪声所淹没。在压缩机控制的使用场合,使用V锥流量计将会取得理想的效果。

对于内锥体在其尾部所得的是高频、低幅值的波动信号,如图10(a)所示。而对于孔板,所测得的则是低频、高幅值的波动信号,见图10(b),这对测量不利。

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3.从几种流量计的购置费用进行剖析一般说超声流量计的购置费用最高,涡轮流量计的购置费其次,V锥流量计最低而且它对不同被测介质的适应能力强,对不同工况条件的适应范围也宽,雷诺数的适用范围也更宽。还具有诸如测量稳定性好,耐用可靠,要求直管段短,适宜计量脏污流体等突出优点。因此,V锥流量计是一种物美价廉的流量计,是取代孔板等差压式流量计的最佳更新换代产品。

利用V锥流量计解决流量测量难题的典型用例分析

1.湿气体的流量测量难题采用孔板测量湿气体时,会产生相当大的误差,这是由于当气体被水饱和时,差压变送器的响应时间会造成计量误差,再加上如孔板的上、下游存留着水时,会造成测量上的难题。采用V锥流量计取代孔板流量计会得到很小的不确定度。其测量结果的前后对比见图11所示。在图11的下半部分示出使用孔板测量湿气体流量的记录曲线。在孔板上下的滞留水积存多了就形成了“气水相混”的团状流动的条件,导致孔板计量的不确定度超范围的增大变宽。而V锥流量计则有很快的响应时间,无积水现象,而且节流装置还能同时跟踪静压力的变化。图11的上半部分表明当采用V锥流量计取代孔板后,它能迅速排除积存的水并正常测量汽团状流的情况,而该图的下部是采用孔板时测量汽团状流流量的记录曲线。

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关于利用V锥流量计测量湿气体流量的最新报告详见文献(14〕。

2.焦炉煤气流量测量难题

焦炉煤气中的萘和焦油会凝析出来并沉积在孔板上,使得无法利用孔板实现有效的计量,另外它还是一种低静压,低流速的气体,在V锥流量计出现之前,焦炉煤气的流量测量一直是一个众所周知的难题。瑞典的钢铁公司改用(V-cone)流量计替代原有的差压式流量计计量脏污的焦炉煤气,经过3个月试用之后,发现流量计是干净的,锥形体表

面无磨损迹象,从而圆满地解决了焦炉煤气计量中的2个主要难题:①固体物沉积和由此造成的β比值的改变;②差压测量时取压孔的阻塞。

结论

(1)对于任何一种测量气体、液体或蒸气流量的场合都可以使用V锥流量计。坚固结实、使用寿命长、适用面极宽,从本质上说V锥流量计是免维护的,也不需要进行定期的重新校准。只有当V锥流量计在极端的工作条件下工作时,才有必要对它定期进行检查。

(2)就像对任何一个一次节流装置一样。必须配套使用较高质量的差压变送器及二次仪表才能充分获得整体优异的系统性能,因此应按照制造厂家的说明书,定期对差压变送器及二次仪表进行重新校准。

(3)V锥流量计虽同属于节流式差压流量计,但它独特的结构、原理使得它不但测量准确度高,而且不存在磨损与积污问题,标定出来的流出系数不但可以在现场准确复现,而且可以长期保持不变;再脏的气体也不会使取压孔堵塞;它的量程比为10:1或15:1;对安装直管段仅要求0至3D,它的压损很小,可以在低静压、低流速的流体中实现有效的流量测量。V锥流量计的优良计量性能使得它适宜普遍用作环境监测工程中的流量仪表,如监测烟道气的流量、监测各种污染物的排放量等,也可用于对天然气、煤气、供热蒸气、污水等的计量,包括用于贸易输送的计量与结算。

(4)就测量精度而言,多声道超声、、精密气体涡轮,可属同一档次,其次为涡街、旋进旋涡、均速管等。如就抗脏污能力和工作稳定性而言,惟有性能最佳;就其量程比而言,虽不及超声和涡轮、涡街等那样宽,但10:1或15:1用于工业测量已足够,特别是可以测量小雷诺数(低流速)的特性,比一般的量程比宽更有实用意义,特别是用于环境监测。惟一的缺点是欲获得较高测量精度必须有质优的差压变送器与之配套,不过在当今要作到这一点并无多大困难。

(5)V锥流量计是基于很成熟的原理工作的,只是它的结构稍有不同,它为差压式流量计揭开了崭新的一页,正在日益显示其旺盛的生命力。随着它的被推广使用,将有更多的流量测量难题逐步被解决。



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