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流量計(jì)直管段適用長(zhǎng)度與安裝施工方法

摘要:現(xiàn)有流量計(jì)中,除了容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)之外,其他流量計(jì)對(duì)前后直管段有特定的要求 ,且不同類型的流量計(jì)所要求的直管段長(zhǎng)度也差異懸殊。直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)引起流量測(cè)量不確定度增大的原因:流體流過(guò)彎管或閥門時(shí),速度分布產(chǎn)生畸變,導(dǎo)致實(shí)際流量系數(shù)與出廠標(biāo)定時(shí)的流量系數(shù)不一致。常用對(duì)策包括:管線繞道法,簡(jiǎn)單易行;降低度指標(biāo),在普通監(jiān)測(cè)和過(guò)程控制中亦經(jīng)常采用;將流量傳感器在管道上的安裝方位選擇在***有利的位置;加裝流動(dòng)調(diào)整器和選用直管段長(zhǎng)度要求低的流量計(jì)。同時(shí),對(duì)以上幾種對(duì)策進(jìn)行了比較與分析。

1、概述:
  流量計(jì)如果安裝不合理,往往會(huì)引起較大誤差。在流量?jī)x表的安裝中,困擾設(shè)計(jì)師和現(xiàn)場(chǎng)施工人員的棘手問(wèn)題通常是直管段長(zhǎng)度不夠,下面就該問(wèn)題展開討論。
  目前常用的流量計(jì)約有一百種,除了容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)之外[1-2],其他流量計(jì)均對(duì)前后直管段有特定的要求。這是因?yàn)榇蟛糠至髁坑?jì)的流量系數(shù)是在充分發(fā)展的管流條件下標(biāo)定得到的,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用這些流量計(jì)時(shí),也只有在充分發(fā)展的管流條件下,才能保證測(cè)量度。
  所謂充分發(fā)展的管流,就是具有充分發(fā)展的速度分布的管流。在流動(dòng)過(guò)程中,沿流向從1個(gè)橫截面到另1個(gè)橫截面速度分布不發(fā)生變化,稱為充分發(fā)展的速度分布,它通常是在足夠長(zhǎng)的直管段末端才能形成。
  管道設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成流體的擾動(dòng),引發(fā)速度分布變形或產(chǎn)生漩渦,前者來(lái)自閥門或彎頭,漩渦多來(lái)自2個(gè)以上不同平面的彎頭,只有在流量計(jì)前后留有足夠長(zhǎng)的直管段或安裝特制的整流器才能克服這些影響。
 
2、直管段長(zhǎng)度要求:
1)由于流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)各不相同,因而不同類型的流量計(jì)對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同,表1列出幾種常用流量計(jì)對(duì)上游直管段的要求[3-6]。
流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度的一般要求
             
    彎,無(wú)流動(dòng)調(diào)整器)  
    90°    
     
        前直管段長(zhǎng)度 后直管段長(zhǎng)度
         
容積式流量計(jì)    
             
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)
             
電磁流量計(jì)      
             
線性孔板流量計(jì)    
             
渦輪流量計(jì)       20
             
渦街流量計(jì)       20
             
超聲流量計(jì)       20
             
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)    
          6~44 2~4
標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)    
          10~46 4~8
注:)管道內(nèi)徑的倍數(shù);    
      有關(guān)。    
)與直徑比        
    β      
             

2)流量計(jì)上游引發(fā)流場(chǎng)畸變的管件(或阻流件)不同,對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同。表2列出標(biāo)準(zhǔn)孔板完整的直管段要求。表2中的數(shù)據(jù)是研究者根據(jù)一百多年對(duì)孔板流量計(jì)試驗(yàn)研究歸納總結(jié)得到的,因此既全面又可靠。
 
3、直管段長(zhǎng)度不夠?qū)y(cè)量結(jié)果的影響:

 總的來(lái)說(shuō),直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)流量測(cè)量不確定度相應(yīng)增大,但是增大多少以及由此引起的附加誤差是正向還是負(fù)向,需要具體分析。到目前為止,只有個(gè)別類型的流量計(jì)有人做過(guò)為數(shù)不多的試驗(yàn),得到了一些零星的數(shù)據(jù)。
 圖1所示是日本富士公司提供的單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線[8]。從曲線形狀分析,上游彎頭應(yīng)是在***不利的方位,如果上游彎頭在有利的方位(彎頭與聲道在同一個(gè)平面),附加誤差應(yīng)當(dāng)小得多。
圖1 單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線
圖1 單聲道外夾式超聲流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線
  圖2所示是美國(guó)丹尼爾公司(Daniel)和諾娃公司(NOVA)所做的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差曲線[9],從圖中的數(shù)據(jù)分析,被試差壓裝置應(yīng)是環(huán)室取壓,如果是2.54cm(1in)法蘭取壓或徑距取壓,附加誤差要大得多。
圖2前直管段長(zhǎng)度對(duì)孔板流出系數(shù)的影響

圖2前直管段長(zhǎng)度對(duì)孔板流出系數(shù)的影響
注:上游不同阻流件(無(wú)流動(dòng)調(diào)整器)對(duì)β=0.5的孔板流量計(jì)的影響如果是徑距取壓,由于上游彎頭與取壓口之間相互位置的不同,會(huì)有三種不同的結(jié)果:
1)當(dāng)取壓口處于彎管的外圈時(shí),流出系數(shù)趨小,引起正向附加誤差,如圖3所示。
圖3	取壓口處于外圈

圖3 取壓口處于外圈
 

2)當(dāng)取壓口處于彎管內(nèi)圈時(shí),流出系數(shù)趨大,引起負(fù)向附加誤差,如圖4所示。
圖4	取壓口處于內(nèi)圈

圖4 取壓口處于內(nèi)圈
3)當(dāng)取壓口處于與彎管所在的平面垂直時(shí),流出系數(shù)的偏移應(yīng)比前兩種情況小得多,如圖5所示。
圖5	取壓口與90°彎垂直
圖5 取壓口與90°彎垂直
  因此,在確定取壓口方位時(shí),應(yīng)考慮***有利的方案。在上面的分析中,直管段長(zhǎng)度不夠引起的附加誤差幅值還與節(jié)流件的直徑比β有關(guān),其中β較小時(shí),相同的直管段倍數(shù)引起的附加誤差要小一些。

流量計(jì)直管段適用長(zhǎng)度與安裝施工方法                             表2 無(wú)流動(dòng)調(diào)整器情況下孔板與管件之間所需的直管段                          
                                                         
                                                                                       
                                                                                孔板下游
                                        孔板的上游 入口 側(cè)                                    
                                                                                      出口 側(cè)
                                                                                         
  單 個(gè) 90° 同 一 個(gè) 平 同 一 平 面                       單 個(gè) 45°                                      
直徑 互 成 垂 直 互 成 垂 直 帶 或 不 帶 彎頭       同心漸縮管 同 心 漸 擴(kuò)                    
彎頭     面上 2 個(gè) 上2個(gè)90°               溫 度 計(jì) 插      
β     平 面 上 2 平 面 上 2 延 伸 部 分 同 一 平 面         全 孔 球 閥      
任 一 平 面 90°彎頭 彎頭   在1.5 管 在 突 然 對(duì) 稱     管件 2~11
    個(gè)90°彎頭 個(gè)90°彎頭 的單個(gè)90° 上2個(gè)45°  長(zhǎng)度內(nèi)  長(zhǎng)度內(nèi) 或  閘  閥 套或套管 欄)和密度
  上2個(gè)90° S形結(jié)構(gòu) S形結(jié)構(gòu) 收縮   直  徑
                        由2變?yōu)?/td> 由0.5 變            
  彎頭               30 = 三 通 斜 接 彎頭       全開         計(jì)套管
      30 = 10         ),                                 0.03        
                          90°彎頭                            
                =5         =2                                  
                                                                               
  >30   >10                                                                            
                                                                                 
                            10 11 12 13 14
                                                                                       
                                 
                             
                                                                                         
=0.20   10     10   19     18 34   17           12 30 15    
                                                                                           
0.40 16   10     10   44     18 50   25   30     12     12 30 15    
                                                                                 
0.50 22   18     10 22   10 44     18 75   34 19   30   18   20     12 30 15    
                                                                                           
0.60 42   13 30     18 42   18 44     18     25 29   18 30   18   26     11 14 30 15     3.5
            65                
                                                                                 
0.67 44   20 44     18 44   20 44     20 60   18 36   18 44   18 12   28     14 18 30 15     3.5
                                                                                 
0.75 44   20 44     18 44   22 44     20 75   18 44   18 44   18 13   36     18 24 12 30 15    
                                                                                           

  直管段是孔板上游或下游各種管件與孔板之間的直管段長(zhǎng)度,直管段應(yīng)從***近的(或的)彎頭或三通的彎曲部分的下游端測(cè)量起,或者從漸縮管或漸擴(kuò)管的彎曲或圓錐部分的下游端測(cè)量起;
 直管段所依據(jù)的大多數(shù)彎頭的曲率半徑等于1.5;
 數(shù)值以管道內(nèi)徑的倍數(shù)表示。
1)S是上游彎頭彎曲部分的下游端到下游彎頭彎曲部分的上游端測(cè)得的2個(gè)彎頭之間的間隔;
 
2)該方式不是一種好的上游安裝方式,如有可能宜使用流動(dòng)調(diào)整器;
 
3)安裝溫度計(jì)插套或套管將不改變其他管件所需的***短上游直管段;4)只要A欄和B欄的值分別增大到20和10,就看安裝直徑0.03~0.13的溫度計(jì)插套或套管,但不這種安裝方式;5)每種管件的A欄都給出了對(duì)應(yīng)于“零附加不確定度”的直管段;6)每種管件的B欄都給出了對(duì)應(yīng)于“0.5%附加不確定度”的直管段;
 
7)A欄中的直管段給出零附加不確定度;目前尚無(wú)較短直管段的數(shù)據(jù)可用于給出B欄的所需直管段;
如果<2,Re >2×10 需要95。

4、直管段長(zhǎng)度不夠時(shí)的處理:
 作為自控工程設(shè)計(jì)人員,在施工圖設(shè)計(jì)時(shí),總是要為流量計(jì)尋找一個(gè)理想的安裝地點(diǎn),其中就包括解決直管段長(zhǎng)度問(wèn)題,但有時(shí)由于場(chǎng)地限制,無(wú)法保證直管段長(zhǎng)度。在既有的管道上增設(shè)流量計(jì)更是如此,因?yàn)樵诠艿冷佋O(shè)時(shí),基本不會(huì)預(yù)留安裝流量計(jì)的位置,所以保證直管段長(zhǎng)度會(huì)成為面臨的棘手問(wèn)題。根據(jù)各種具體情況,有下面幾個(gè)方法可供選擇。
1)管線繞道法。圖6所示為工業(yè)鍋爐產(chǎn)汽流量渦街流量計(jì)安裝俯視圖。
圖6	渦街流量計(jì)及前后直管段
圖6 渦街流量計(jì)及前后直管段
  彎頭就在爐頂以水平方向鋪設(shè),由于既有的管道安裝了1臺(tái)DN150的渦街流量計(jì)直管段長(zhǎng)度不能滿足要求,因而***簡(jiǎn)單有效的方法是與設(shè)備專業(yè)人員協(xié)商,將既有管道進(jìn)行改裝,例如將圖6中的管段a改為b,c,d,如圖7所示。由于直管段加長(zhǎng)了一段d,從而滿足了直管段要求。
 
2)讓步法。所謂讓步法就是對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)作出讓步,該方法在產(chǎn)品質(zhì)量管理中是普遍使用的。例如在化工生產(chǎn)中,從流程末端流出的產(chǎn)品達(dá)不到一級(jí)品指標(biāo),但能達(dá)到二級(jí)品指標(biāo),于是就作二級(jí)品入庫(kù)銷售,而不是將其報(bào)廢,這樣在經(jīng)濟(jì)上比較劃算。
圖7	管線繞道后的配管示意

圖7 管線繞道后的配管示意
在流量計(jì)使用現(xiàn)場(chǎng),如果直管段長(zhǎng)度無(wú)論如何也不能滿足要求,流量測(cè)量結(jié)果也不是用于貿(mào)易結(jié)算,而是用于一般監(jiān)測(cè)或過(guò)程控制,可嘗試采用讓步法。例如表2標(biāo)準(zhǔn)所列的直管段長(zhǎng)度中,A列的數(shù)據(jù)是達(dá)到0.5%不確定度必須滿足的直管段長(zhǎng)度,如果用戶肯將不確定度讓步到1%,則滿足B列直管段長(zhǎng)度即可,這樣就使直管段長(zhǎng)度要求大幅降低。其他類型的流量計(jì),也可參考該表格。
 
3)在有直管段要求的各種類型流量計(jì)中,流量傳感器在管道上的安裝方位同測(cè)量結(jié)果的關(guān)系,有些不受上游彎頭方向的影響,例如渦輪流量計(jì)和環(huán)室取壓差壓流量計(jì),但大多數(shù)類型的流量計(jì)都對(duì)上游彎頭方向很敏感,例如圖1所示的外夾式單聲道超聲流量計(jì)[10],圖3~所示的差壓流量計(jì)以及圖6所示的渦街流量計(jì),因而應(yīng)將流量傳感器在管道上的安裝方位選擇在***有利的位置。
 
a)以差壓式流量計(jì)為例,圖8所示為取壓口位置示意。取壓口的取向應(yīng)考慮被測(cè)流體為液體時(shí),應(yīng)防止氣體進(jìn)入導(dǎo)壓管;被測(cè)流體為氣體時(shí),應(yīng)防止液滴或污物進(jìn)入導(dǎo)壓管。當(dāng)測(cè)量管道為垂直時(shí),取壓口在取壓位置的平面上,方向可任意選擇,即α可大可小,選擇的范圍就大了。
圖8 取壓口位置安裝示意(徑向)

圖8 取壓口位置安裝示意(徑向)

)在圖 所示的渦街流量計(jì)實(shí)例中,業(yè)主單 長(zhǎng)度不夠也不影響測(cè)量度,這是因?yàn)闇u街流量
           
位沒(méi)有選擇管線繞道的方法,而是選擇了將旋渦發(fā) 計(jì)在出廠前都經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定,流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的直管
生體旋轉(zhuǎn)90°,即將接線盒安裝在水平管道的側(cè) 段都相當(dāng)長(zhǎng),所以流量計(jì)前管道內(nèi)流體的速度分布
面,收到了很好的效果   是對(duì)稱的,也不存在旋渦。圓形流通截面中流速***
  ,經(jīng)質(zhì)量平衡驗(yàn)證和能量  
平衡驗(yàn)證,達(dá)到很高的度。   高點(diǎn)與軸心重合, 臺(tái)渦街流量計(jì)的流量系數(shù)就是
             
)在圖 中,將旋渦發(fā)生體旋轉(zhuǎn) 后直管段 在這樣的條件下標(biāo)定出來(lái)的。
        90°  

圖9	取壓口位置安裝示意(俯視)
圖9 取壓口位置安裝示意(俯視)
d)在圖10中,流體在管道內(nèi)高速流動(dòng),由于流體的離心力作用,流場(chǎng)產(chǎn)生畸變,使***高流速向圖的下方偏移,這種偏移使***高流速點(diǎn)不再對(duì)準(zhǔn)旋渦發(fā)生體的中心,從而使流量計(jì)的旋渦剝離頻率相對(duì)減小,引起儀表示值偏低。
圖10	管道內(nèi)的流場(chǎng)分布與發(fā)生體位置
圖10 管道內(nèi)的流場(chǎng)分布與發(fā)生體位置
  而當(dāng)旋渦發(fā)生體的方向被旋轉(zhuǎn)90°后,流場(chǎng)的畸變情況雖然無(wú)變化,但***高流速點(diǎn)卻對(duì)準(zhǔn)了發(fā)生體的中心線,如圖11所示。
圖11	旋渦發(fā)生體處于水平位置
圖11 旋渦發(fā)生體處于水平位置
  該方法對(duì)安裝在垂直管道上的電磁流量計(jì)、單聲道超聲流量計(jì)也完全適用,但對(duì)安裝在水平管道上的電磁流量計(jì)和單聲道超聲流量計(jì)就要適當(dāng)修正才能應(yīng)用。因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)不允許將電極安裝在水平管道的上方和下方,如果電極被布置在水平管道的水平直徑方向則處于***不利的位置,可將1對(duì)電極所組成的連線在圓周方向旋轉(zhuǎn)45°。單聲道超聲流量計(jì)如果1對(duì)換能器被布置在水平管道的水平直徑方向也處于***不利的位置,則可將1對(duì)換能器之間的聲道所組成的平面在圓周方向旋轉(zhuǎn)45°,這樣處理雖然效果比不上旋轉(zhuǎn) 90°,但比***不利的位置要好得多。 

4)加裝流動(dòng)調(diào)整器。流動(dòng)調(diào)整器可用于減少上游直管段長(zhǎng)度。配合性實(shí)驗(yàn)表明,它可以用在任何上游管件的下游。目前在ISO5167正文中只列入2 種流動(dòng)調(diào)整器:19 根管束式流動(dòng)整直器(1998)和Zanker流動(dòng)調(diào)整板,流動(dòng)調(diào)整器在標(biāo)準(zhǔn)中列有適用的節(jié)流件和阻流件類型以及具體的安裝位置等。

5)選用直管段要求低的流量計(jì)。由于各種不同類型的流量計(jì)對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求差異懸殊,如果原來(lái)所選的流量計(jì)直管段要求較長(zhǎng),而且無(wú)論如何也滿足不了要求,應(yīng)改選直管段長(zhǎng)度要求較低的型號(hào)。
 
6)對(duì)影響值進(jìn)行評(píng)估。直管段長(zhǎng)度不夠時(shí),流量計(jì)不確定度增大,是由于管道內(nèi)的速度分布畸變,使得儀表的實(shí)際流量系數(shù)與出廠標(biāo)定時(shí)的流量系數(shù)不一致。
 如果按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的管件種類和直管段長(zhǎng)度組裝成1套帶前后管段的流量計(jì),放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上,標(biāo)定出該臺(tái)儀表的流量系數(shù),然后配套使用,并使用此流量系數(shù)計(jì)算流量,也就完全排除了直管段長(zhǎng)度不夠?qū)y(cè)量結(jié)果的影響。該方法在鉆井平臺(tái)等場(chǎng)地有限的場(chǎng)合,經(jīng)常采用。
 
5、結(jié)束語(yǔ):

 在種類繁多的流量計(jì)中,通常對(duì)流量計(jì)前后直管段有特定的要求。由于工作原理的不同,對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同;阻流件的類型不同,對(duì)直管段長(zhǎng)度的要求也不同,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。
 在遇到直管段長(zhǎng)度不夠時(shí),針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況和流量計(jì)的不同用途,可分別采用管線繞道法、降低度指標(biāo)法、加裝流動(dòng)調(diào)整器法、選擇***有利的安裝方位法以及改選直管段長(zhǎng)度要求較低的流量計(jì)等方法,使問(wèn)題得到解決。

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