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环形通道节流装置浅议

2006/11/22 9:08:00

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[摘 要]环形通道节流装置因可解决二相流流量测量及对前直管段要求较低等特点,近年来引起业内的重视,得到了较快的发展。文章简要地介绍了几种环形通道节流装置并进行了粗浅的比较,以求在实践中不断改进,日益完善。
[关键词]节流装置:环形通道:内锥式:梭式
[中国分类号]TB93 [文献标识码]B [文献编号]1002-1183(2006)05-0015-03
节流装置作为一种流量仪表已有近百年的历史,由于其工作可靠,可承受高温、高压等恶劣的工况,特别是作为当前唯一无需通过实流标定而可确定流量系数的流量计,常被用户作为首选仪表。在近半个世纪的时间里,它的市场占有率达到了70%左右。国际标准化组织对它也极为重视,制定了标准IS05167,随后各国工程技术人员不断对其在应用条件下进行实验,积累了大量数据,在此基础上,国际标准化组织于2003年又对IS05167进行了修订,新标准对经典式节流装置的应用提出了更为严格的条件,特别是不同程度地加长了前直管段长度,使其应用面临一些困难。上世纪80年代后,不少新型仪表如电磁、超声、涡街逐渐成熟,也极大地冲击着市场,使孔板这种经典式的节流装置市场占有率有所下降。而在已建工程中,它的安装台数仍十分庞大,也积累了丰富的使用经验,许多一线的工程技术人员还是习惯选用它,如何改进、用好这类仪表就成为一个方兴未艾、较为活跃的研究领域。
1 非标准节流装置
在许多工业部门中,如火电的锅炉、天然气、石油的开采与输送,冶金中产生的煤气,矿业开采中的选矿,以及采用液体或气体作为载体输送固体原料、产品……这些流体多不“洁净”,而呈现双相或多相状态,如采用经典节流装置如孔板(图1),在运行中产生不少问题。由于孔板前后将产生两个滞流区,固相介质将滞留、堆积在这个区域中,日积月累,将缩小孔板中心的通道,引起较大的误差,严重时甚至无法正常工作。鉴于上述情况,早于上世纪50年代,研制、推出了不少非标准节流装置,如圆缺孔板、偏心孔板、楔形流量计等。其共同的特点是迫使流动偏离中心,从管道下方流过,使较重的固态介质难以滞留,造成非对称的流动,从流动的效果来看与阻力件无异,使用中并不理想。



环形孔板是其中较为典型、效果较好的一种非标准节流装置。它在上世纪60年代推出,开始应用于现场。而我国应用它是近10年的事。环形孔板(图2)的结构是在管道中同心地固定了一个圆板.而流体则从管道边缘的环形通道流过。它既未破坏流动的对称性,又使管道中不同比重的物质各行其道,比重大的物质从管道底部疏泄,比重轻的物质如气体、蒸汽从管道上部通过。实用表明,环形通道对上游直管段长度的要求,没有经典及非标准节流装置那样苛刻,这也是它的一个突出优点,可以说是环形通道节流装置的初型。不足的是,与经典节流装置比较,缺乏足够的试验数据,难以标准化,特别是在当量βT,值接近0.9时,流量系数的变化较大,每台仪表都必须通过标定才能出厂。另外,其压损也较大。


2 内锥式流量计
上世纪80年代中期,也许是受环形孔板的启发,环形通道可以改善流场,无需过长的直管段,美国Mccrometer公司推出了内锥式(V-cone)流量计(图3)。这种流量计的节流件是一个悬挂在管道中央的锥形体,它具有改善流场的作用。前锥角约30º,后锥角为150º高压p1,取自锥体前流体尚未节流、加速的管壁;低压p2:则取自后锥体中央,并通过内锥前方的支杆引出管外。其差压(p1-p2)的平方根与流量成正比。计算公式与孔板类似,只需将环形通道的面积折合为孔板中心通道的面积、用当量β值进行计算。


实验表明,内锥形成了环形通道,且通道逐渐减小,迫使流体加速降压,由于流体在加速过程中有消除、减小漩涡,改善流场的作用。因此,它对前直管段长度的要求不仅比经典式节流装置小得多,也比环形孔板小一些。
2003年3月国际标准化组织根据近年来对孔板进行的一系列试验及应用情况,修改了IS05167(1991),新标准IS05167(2003)的多项修改中,对使用者而言密切有关的是进一步要求增长前直管段,一般将原来30D增长到了44D;这个要求在实际现场很难满足。新标准也建议可采用流动调整器(Flow Conditioners)以减小直管段长度,这样做又会增加成本及维护工作量,并非上策。在这种形势下,对直管段无苛求且可测脏污流体的环形通道节流装置应运而生,近2年在我国形成了一股“内锥热”。
内锥式生产厂商宣称这种流量计的精确度优于±0.5%,重复性优于0.1%,上游直管段仅需0~3D,下游为0~lD,压损很小,量程比可达15∶1,可测脏污流体……以上这些技术参数不少值得商榷,例如:
(1)直管段。在阻力件(弯头、闸阀、歧管、变径管……)后,会产生漩涡及二次流,完全消失经测试需5~7D,内锥体虽有整流作用,但当流体还未到达内锥,未必可“遥控”整流,神奇到如厂家所描述的那样理想,甚至可达到均直流场,更是令人难以置信。
(2)结构。内锥体由一根支杆悬挂在管道中央,这种单臂悬挂从力学角度看不太稳定,易产生振动。为保证足够的刚性,势必要加粗支杆,而这样又破坏了流场的对称性。
(3)取压点。内锥式仍通过测差压推算流量。它的高压取自内锥前管壁,并非流体的最高压力(总压),而此处由于阻力件的影响,尚可能存在漩涡及二次流;而低压取自后锥体中心,此处由于截面突然变大,是一个强烈的漩涡区,压力波动幅度较大,在这两处取差压推算流量未必合理。
(4)精确度。鉴于上述原因,精确度就难以达到(厂家甚至说优于)±0.5%,当然在试验室标定由于流场较为理想有可能得到较高的重复性,(这里强调是重复性不是精确度,精确度还应包括标定装置的不确定度),而实际应用的现场在无法保证试验室的流场条件时,也就无法保证所标定的精确度。
(5)不可恢复压损。在内锥后由于流通截面突然扩大,会产生强烈的漩涡。众所周知,它的产生、消失是一个不可逆的非等熵过程,会有较大的压力损失(这也正是不少阻力件压损大的原因),内锥式流量计并非压损小的节能产品。
(6)量程比。厂商说量程比达到15∶1是可能的,而前提是必需采用智能式差压变送器。内锥式与孔板一样,流量都是正比于差压的平方根。孔板流量计如也采用智能式变送器量程比也可达到15∶l,量程比大并非内锥式本身的优势。
3 梭式流量计
梭式流量计是经我国专利局审定,于2005年10月19日公布、授权,具有独立知识产权的专利产品(专利号ZL200420061026.9),也是一种环形通道节流装置。
它的主要结构及原理如图4所示:梭形节流件用3个剖面为翼形的支杆固定在管道中。当前直管道较长(L>7D)时,由于环形通道的整流作用,管内流速分布较好,近于充分发展紊流,总压仅取一点,位于前锥体的中央,此处流体的动能全部转化为位能,应是流体的最高压力。而静压(低压)则取自环形通道最窄处的管壁上,位于两个支杆之间,相距约60º;当直管较短(L>5D)时,考虑管道中实际流速分布虽经梭体整流未必均衡、对称。因此,总压取自3个翼形支杆上,每个支杆取3~4点,在整个环形通道上均匀分布了9~12点,这样在直管很短时,也能充分反映环形通道的流速分布。


梭式流量计的尾部可使加速的流体在扩张的通道中,不分离的条件下减速增压,动能逐步、充分地转化为位能,使不可恢复压损降至最小,因而是节能产品。
在直管道较短时,管内流体流向并不平行于轴线,所测总压未必为真实。梭式流量计在每个总压孔上嵌入了一种导流嘴,这种导流嘴早于1986年实验表明,在流向偏离±30º情况,均能充分反映真实的总压值的效果。
整个梭体只起整流、导向作用,梭体可通过小孔沟通内外的压力,无论管道中流体有多高的压力,均与梭体无关。
此外,在展会上还见到一种与梭式较相似的槽道式流量计,它的特点是环形通道较窄,较长,这样设计将有利于消除漩涡、改善流场。但由于通道过窄,流速大会造成较高的压损;其次它的支持为三个较薄的片体,可减少阻力,但不能如梭式支杆那样,在直管段不足,流场无法保证充分对称的情况下,起到测环形通道流速分布的作用。
孰优孰劣,将有待实践评说。
4 小结
近两年由于IS05167新标准的公布,再加上在工业现场中日益增多二相流的测量问题,环形通道流量计应运而生,有了很大的发展,优劣与否有待实践证明、用户认可。由于影响流量仪表应用的因素较多,每一种产品都只能在某一领域中各尽所能、发挥作用。尚没有一种可取代一切其他流量仪表、宣传、推销都应实事求是、留有余地。

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