大管道氣體流量檢測儀表與校驗(yàn)

1、大管道氣體流量檢測儀表與校驗(yàn)高工 毛新業(yè)一、前言眾所周知，規(guī)模產(chǎn)生效益，近二、三十年來，工程的大型化已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。工程中口徑大于500毫米的管道已十分普遍，其流量檢測（特別對(duì)氣體）已日益迫切，有待解決?？蓽y氣體流量的儀表不少，從原理及制造角度來說，將尺寸放大應(yīng)無問題，但儀表的體積及重量將隨口徑按幾何級(jí)數(shù)增長，而且還會(huì)帶來其它問題。例如孔板。這種人們熟知的節(jié)流裝置，當(dāng)口徑較大時(shí)不僅笨重，還有較大的壓損，運(yùn)行費(fèi)用過高，再加上ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)要求前直管段達(dá)30D40D，現(xiàn)場很難滿足。無法考慮再采用這類儀表。量變到質(zhì)變，面臨這些困境，近二、三十年來，普遍采取的是采用取樣原理，插入安

2、裝方式，僅測取管道中一點(diǎn)或多點(diǎn)的流速來推算流量的插入式流量計(jì)，這類儀表的共同特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便、價(jià)格低廉、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度一般不高。因其原理均為取樣性質(zhì)，所以首先要了解管道內(nèi)的流速分布，這樣才能正確選定檢測點(diǎn)的位置及數(shù)量。二、工業(yè)管流1、千變?nèi)f化的管內(nèi)流速分布各行各業(yè)的工程，從其本身的工藝要求出發(fā)，在管道中都必須安裝形形色色的管配件（如閥門、彎頭、歧管、變徑管、過濾器等）。由于它們的形式及組合方式極多，所引起的管內(nèi)流速分布也千變?nèi)f化，難以估計(jì)。（圖1）R.W.Miller(美.流量測量工程手冊(cè)作者)認(rèn)為：“流速分布是影響流量準(zhǔn)確的主要因素，而工業(yè)現(xiàn)場的配件種類繁多，其流動(dòng)情況十分復(fù)

3、雜，不僅難以描述，也不易在實(shí)驗(yàn)室模擬它們”。由于絕大多數(shù)流量儀表都與流速分布有關(guān)，它的校驗(yàn)所處的流場應(yīng)與實(shí)用條件的流場一致，校驗(yàn)的系數(shù)才有意義。這個(gè)流場被公認(rèn)為充分發(fā)展紊流，只要管道具有較長的直管段就可以得到。（圖2）2、充分發(fā)展紊流 形成 由于實(shí)際流體均有粘性，在流動(dòng)過程中將會(huì)帶動(dòng)、制約相鄰層面的流體，這種作用經(jīng)過約30D（D為管內(nèi)徑）直管段長度，其流速分布將不再變化，如雷諾數(shù)Re<2000為層流；Re>4000則為紊流。工業(yè)中多為紊流，即充分發(fā)展紊流。 描述 近百年來不少科學(xué)家對(duì)充分發(fā)展紊流進(jìn)行了大量地測試與描述。其中以Nikaradse的光滑管充分發(fā)展紊流公式最簡單，它近似地

4、表達(dá)為： Vi/Vm=(y/R)1/n（1） 其中：Vi任一點(diǎn)流速；Vm為中心最大流速；y流速點(diǎn)距主管壁的距離；R管道半徑；n為指數(shù)，與Re有關(guān) 平均流速點(diǎn) y通過式（1）可推導(dǎo)出光滑管充分發(fā)展紊流的平均流速點(diǎn)y y=R2n2/(n+1).1/(n+2)n（2）由式（2）可知，圓管內(nèi)的平均流速點(diǎn)取決于3個(gè)因素：a、直管段長度；b、雷諾數(shù)Re;c、粗糙度,因此,它的位置并非固定不變,這不象有些廠商宣傳的那樣,僅測管道一點(diǎn)的流速就可取得±0.51.0的流量準(zhǔn)確度,按ISO7145評(píng)估其準(zhǔn)確度只能達(dá)到±3；如果直管段較短，流量準(zhǔn)確度甚至不足±510。3、流動(dòng)調(diào)整器（fl

5、ow conditioner）要準(zhǔn)確地測量流量，必須具有較長的直管段長度，而實(shí)際現(xiàn)場往往無法滿足。為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾多次推薦采用十余種類型的流動(dòng)調(diào)整器，但筆者認(rèn)為這并非上策，因?yàn)椋涸黾映杀?，一臺(tái)流動(dòng)調(diào)整器的價(jià)格不亞于一臺(tái)流量計(jì)；需經(jīng)常清洗，加大了維修量；效果好的流動(dòng)調(diào)整器永久壓損大，增加了運(yùn)行成本；易于堵塞，即使部分堵塞也改變了流速分布，無法提高準(zhǔn)確度。既然事與愿違，又何必多此一舉。三、大管道氣體流量檢測儀表在我國倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的前提下，本文所介紹的大管道氣體流量檢測儀表排除了壓損大運(yùn)行費(fèi)過高的節(jié)流裝置；也不推薦價(jià)格過高的氣體超聲波流量計(jì)，僅限于介紹在工控系統(tǒng)中，性價(jià)比較高，以取樣原理

6、的插入式流量儀表，按其取點(diǎn)方式可分為以下三大類：1、 測點(diǎn)速 凡可測流速的儀表插入管道均可成為流量計(jì)。較為通用的有以下幾種： 雙文丘里管 早于40年前，美國Taylar公司已推出此產(chǎn)品。國內(nèi)曾仿制利用于火電廠稱“小喇叭管”。近十多年國內(nèi)已有產(chǎn)品進(jìn)入市場。他是利用外文丘里管喉部加速產(chǎn)生低壓，促進(jìn)內(nèi)文丘里管再次加速，可得到更低的壓力，從而在相同流速下可得到更大的輸出差壓，較適用于大管道低流速的氣體流量測量。熱式 利用傳熱原理，以熱電阻為敏感元件，當(dāng)流速高時(shí)將帶走更多的熱量，降低了熱電阻溫度，改變了電阻值，通過電阻值的變化了解流速大小及流量值。其最大特點(diǎn)是可測低于5m/s的流速。傳熱與流體質(zhì)量有關(guān)，

7、因此所測為質(zhì)量流量，不足是氣體溫度一般要低于200，響應(yīng)時(shí)間在1秒以上。 其他 按理皮托管、插入式渦街（圖3）、渦輪。均可用于測流量。皮托管可用于工業(yè)現(xiàn)場校驗(yàn)，很少作為工業(yè)儀表，插入式渦街在低速及管道有振動(dòng)時(shí)，工作不可靠；插入式渦輪由于有轉(zhuǎn)動(dòng)件維修量大。這些儀表近年來市場占有量都呈較大的下降趨勢。這類儀表生產(chǎn)廠商常宣傳他們的儀表都在風(fēng)洞中標(biāo)定過，其實(shí)那僅是標(biāo)定流速不是流量，流量準(zhǔn)確度不可能達(dá)到他們宣傳的±1。2、測線速 以測管道中分布在一條線上的多點(diǎn)流速來推算流量，較上述測單點(diǎn)的準(zhǔn)確。安裝穩(wěn)定、可靠。在工控系統(tǒng)中檢測大管道氣體流量，常為首選儀表，較典型的為均速流量計(jì)：差壓式均速管流量

8、計(jì) 以皮托管測速原理為基礎(chǔ)，三十多年來經(jīng)過了不斷改進(jìn)。目前在國內(nèi)外市場上有以下幾種。a、菱形型 最早檢測桿截面為圓形，因“阻力危機(jī)”被菱形型取代，菱形型又因背壓孔易堵，而被菱形型代替，這種類型主要有二種：其一是艾默生公司十多年前推出的有三個(gè)型材組合形成的檢測桿，由于型材公差大，當(dāng)溫度變化時(shí)，易發(fā)生漏氣或初始應(yīng)力過大削弱強(qiáng)度等弊病，現(xiàn)已很少采用；另一種是一體化結(jié)構(gòu)。有德國二、三家公司推出（圖4）。工作可靠，可承受較高的溫度但價(jià)格較貴。我國天津已可生產(chǎn)并已成功用于現(xiàn)場。b、彈頭型 近十年來，在國內(nèi)市場曾占有較大份額。生產(chǎn)廠商宣稱其頭部的粗糙面可控制附面層，從而提高精確度，經(jīng)專業(yè)人士論證，附面層相對(duì)

9、其他因素而言，對(duì)準(zhǔn)確度的影響微不足道，大可不必夸大其詞，而其缺點(diǎn)是輸出差壓較小，測壓孔太小，當(dāng)流體中含有粉塵，特別是有凝析物、油類、藻類等時(shí)，廠家也不得不承認(rèn)易于堵塞。c、T型 迎流面有二排密集不到2毫米的總壓孔，低壓孔取自T形背部，孔徑較小，廠家宣稱測壓孔多便于“采集”流速分布狀況，準(zhǔn)確度達(dá)到令人難以置信的±0.7。其實(shí)測壓孔就是密集到為一條逢，不也只能反映截面上直線上的流速嗎？當(dāng)直管段長度不夠時(shí)，又如何保證準(zhǔn)確度？況且，由于測壓孔過小，與彈頭型一樣易于堵塞。 熱式均速管流量計(jì) 原理與上節(jié)測單點(diǎn)熱式相同，只是在結(jié)構(gòu)上為多點(diǎn)，反映管道內(nèi)多點(diǎn)的流速分布，以此推算流量。比較上述二種均速管

10、流量計(jì)，熱式優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高，可測低速低溫流體流量，而且直接反映的是流速；而差壓式所測總壓在檢測桿內(nèi)平均后，由于流動(dòng)復(fù)雜，混合后傳出的總壓未必是平均流速的總壓，所以必須通過校驗(yàn)用流量系數(shù)來修正?？梢灶A(yù)計(jì)熱式均速管流量計(jì)如能改進(jìn)提高其準(zhǔn)確度，將會(huì)有較大的發(fā)展?jié)摿Α?、測截面多點(diǎn)流速 機(jī)翼型流量計(jì) 是經(jīng)典文丘里管的改進(jìn)型式，縮短了長度，仍較笨重。 風(fēng)量裝置 在管道截面中插入了多根檢測管，檢測管正對(duì)流向鉆有多個(gè)總壓孔，側(cè)面多個(gè)靜壓孔，有較多的測點(diǎn)反映截面的流速分布，雖較機(jī)翼型輕巧，但不夠準(zhǔn)確。 熱式均速流量計(jì) 在管道中插入多根熱式均速管流量計(jì)，更全面反映管內(nèi)的流速分布，但每個(gè)熱電阻所反映的流速特性未

11、必相同，校驗(yàn)修正還有待改進(jìn)。 均速環(huán)流量計(jì)（圖5）針對(duì)均速管流量計(jì)應(yīng)用三十余年存在的輸出差壓小、準(zhǔn)確度低，忽視管內(nèi)徑對(duì)準(zhǔn)確度的影響等缺點(diǎn)推出的一項(xiàng)專利產(chǎn)品。它由雙文丘里管測低壓，提高了輸出差壓，用多根均速管充分反映了管內(nèi)的流速分布等一系列措施，改善均速管的技術(shù)特性，正引起國內(nèi)外廠商及用戶的關(guān)注。四、校驗(yàn)流量是一個(gè)推導(dǎo)量，影響的因素較多，必須通過校驗(yàn)所得的系數(shù)進(jìn)行修正，才可以得到正確的流量值，由于絕大多數(shù)流量儀表（容積、哥氏除外，但管徑一般小于0.2米）均與管道中流速分布密切相關(guān)。因此要正確使用流量儀表都必須具有較長的前直管段，即它們應(yīng)安裝在充分發(fā)展紊流之中，所以校驗(yàn)裝置也必須提供充分發(fā)展紊流，

12、它是校驗(yàn)與應(yīng)用的流場平臺(tái)，只有這樣，校驗(yàn)的系數(shù)才可以用于現(xiàn)場儀表，否則校驗(yàn)毫無意義。1、風(fēng)洞能校驗(yàn)流量儀表嗎？由于人們難以測取飛行器在運(yùn)動(dòng)中的受力情況，只有采用相對(duì)方法，令飛行器（或等比例縮小的模型）靜止不動(dòng)。由風(fēng)洞產(chǎn)生一股迎面氣流，以模擬實(shí)際飛行情況，為此要精心設(shè)計(jì)，采取各種措施，使整個(gè)截面的流速都是相等的（即所謂均直流場，見圖6）。它與充分發(fā)展紊流是完全不同的，只能按校驗(yàn)流速計(jì)，不能檢驗(yàn)流量計(jì)。有人認(rèn)為用風(fēng)洞標(biāo)定插入式流量計(jì)探頭就可以了，有意或無意回避管道的影響。眾所周知，流量Q=管道截面積A×流速V，因此，可以說插入式流量計(jì)不插入管道只是流速計(jì)不能成為流量計(jì)，說明管道的影響舉足

13、輕重，它可表現(xiàn)為二個(gè)方面： 具有較長的直管段，以保證流速的準(zhǔn)確度； 準(zhǔn)確的管道截面積。用風(fēng)洞可以標(biāo)定流速，不能標(biāo)定流量。切勿偷換概念，忽悠用戶。2、氣體流量校驗(yàn)裝置 裝置的基本條件：管徑大小和形狀與被校表基本相同；可在較大范圍內(nèi)（10：1）調(diào)整流量；具有較高精確度的流量基準(zhǔn)；具有較長的直管段，以保證提供充分發(fā)展紊流（如受場地限制，在實(shí)驗(yàn)室建議采用流動(dòng)調(diào)整器）。其它特殊要求：如工況、實(shí)流、二相、脈動(dòng)等。 如何面對(duì)現(xiàn)場條件在現(xiàn)場應(yīng)用的大管徑氣體流量計(jì)。常采用矩形截面，大小、寬高比例形形色色。實(shí)驗(yàn)室難以一一滿足；其次，往往面臨直管段不足的情況，即未安裝在充分發(fā)展紊流中，即使在具備上述條件的裝置中校驗(yàn)

14、過，其流量系數(shù)也因?yàn)榱鲌龅牟町?，直接引用并不能保證其準(zhǔn)確度。在這種情況下，只有采用速度面積法進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)。3、速度面積法原理 速度面積法是一種測量管道內(nèi)流量的經(jīng)典方法，由于較為繁瑣，只適用于現(xiàn)場校驗(yàn)，而不宜用于流程工業(yè)檢測。由于管道內(nèi)流速分布不等，可將管道分割許多單元面積Ai，并認(rèn)為單元面積上的流速 n Vi近似相等。這樣流量Q=AiVi,不難理解面積分割越多則越準(zhǔn)確，但也越繁瑣而不現(xiàn)實(shí)。 i=1準(zhǔn)確度 采用速度面積法的準(zhǔn)確度取決于以下四個(gè)因素： Q=（a+v+1+2）1/2 上式中：Q：流量測量誤差；a：管道截面誤差； v：流速測量誤差，取決于管道內(nèi)流速分布、取點(diǎn)的多少； 1：流速計(jì)的誤差；

15、2：測量管道截面積儀器的誤差。由于現(xiàn)場流速分布比較復(fù)雜，不對(duì)稱且可能存在二次流及漩渦，要求取得較高精確度必須增加測點(diǎn)數(shù)目。據(jù)ISO7194估計(jì)，圓管采用速度面積法，測點(diǎn)為48個(gè)Q<±5；測點(diǎn)36個(gè)Q<±7；測點(diǎn)20個(gè)Q可達(dá)±14。 標(biāo)準(zhǔn) 有關(guān)速度面積法如何操作，由于篇幅所限，本文略去，讀者可參閱以下標(biāo)準(zhǔn)：a、ISO3966：1977 封閉管道中的流量測量采用皮托靜壓管的速度面積法。b、ISO7145：1982 封閉管道中的流量測量測量截面一點(diǎn)流速的方法。c、ISO7194：1983 封閉管道中的流量測量在圓管中處于漩渦及非對(duì)稱流動(dòng)下采用皮托管的速度面積法。d、中國國家標(biāo)準(zhǔn) JJG8351993 速度面積法流量校驗(yàn)裝置檢定規(guī)程。五、小結(jié)1、直管長度舉足輕重 直管段長度對(duì)流量儀表準(zhǔn)確度影響很大，插入式儀表尤為突出。而現(xiàn)場難以保證，生產(chǎn)廠商往往回避這個(gè)問題，片面強(qiáng)調(diào)儀表本身的流速