圖1  各種流動調(diào)整器

    貿(mào)易結(jié)算、節(jié)能減排對流量儀表準(zhǔn)確度提出了更高的要求，欲使流量儀表保持±0.5%~1%的準(zhǔn)確度，對絕大多數(shù)流量儀表都需有前約30D后約5D（D管內(nèi)徑）的直管段長度。在現(xiàn)代工程管徑日益增大的情況下，現(xiàn)場很難滿足這個要求，如何解決這個矛盾？本文介紹了流動調(diào)整器、內(nèi)錐流量計以及多孔平衡式、多孔整流式節(jié)流裝置，供讀者參考。

    近一、二十年以來，在貿(mào)易全球化的背景下，經(jīng)濟領(lǐng)域中不少物質(zhì)是通過流量儀表的計量進行核算的，買賣雙方都不愿意承擔(dān)因流量計量的誤差所造成的經(jīng)濟損失。以價廉的水為例，如果一個企業(yè)每日用水1萬t，采用的流量儀表誤差為±2%，則每年將多付近15萬元水費（2%×365×10000/天×2元 /噸=146000）；如果是天然氣、石油等昂貴的物質(zhì)，損失將更突出，因而迫切需要提高流量儀表的準(zhǔn)確度。對工控系統(tǒng)來說，過去曾認(rèn)為流量儀表只要重復(fù)性好，無需準(zhǔn)確度高。現(xiàn)在看來，這種觀點已不能適應(yīng)新的要求，如火電廠，由于不能準(zhǔn)確地測量進風(fēng)量，為保證鍋爐爐膛不因缺氧造成燃燒不完全而污染空氣引起環(huán)保部門的查處，只得采取過量供氣，其結(jié)果造成燃燒效率下降，每多供1%的過氧量就造成5%的過量空氣被加熱，造成了燃料、風(fēng)機電能的浪費，從節(jié)能降耗角度出發(fā)也急待提高流量儀表的準(zhǔn)確度。

    易忽視的重要因素――安裝直管段長度

    流量儀表的生產(chǎn)廠家在技術(shù)文件中都注明了準(zhǔn)確度，它應(yīng)是在試驗室經(jīng)嚴(yán)格的程序標(biāo)定后確定的，但在現(xiàn)場條件下，大多數(shù)流量儀表都難以達到這個準(zhǔn)確度。

    對絕大多數(shù)流量儀表來說（容積式、科式雖可除外，但口徑未超過0.25m）流速分布對準(zhǔn)確度有舉足輕重的影響。國際、國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為此都明確規(guī)定了流量儀表前應(yīng)有30D、后有5D（D為管內(nèi)徑）的直管段長度，只有這樣，管內(nèi)的流速分布才能達到充分發(fā)展紊流，具有確定的分布規(guī)律，采用在試驗室標(biāo)定的流量系數(shù)，才可保證達到廠家所說的準(zhǔn)確度[1]。

    但實際安裝的現(xiàn)場，從工藝角度出發(fā)會有形形色色的各種阻力件（彎頭、閥門、變徑管、歧管等），其出口流速分布也是變化莫測，十分復(fù)雜。從節(jié)約空間的角度考慮，也不可能安排流量儀表有如此長的直管段長度。因此，流量儀表在現(xiàn)場應(yīng)用中所達到的準(zhǔn)確度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廠家提供的數(shù)據(jù)。

    但是，直管段長度不足的問題長期被忽視，其原因在于流量儀表即使在現(xiàn)場直管段長度達不到規(guī)程要求所需的長度，仍會有輸出，對一線的儀表工來說，儀表工作看似仍在“正?！惫ぷ鳎皇桥c必要的準(zhǔn)確度相距甚遠(yuǎn)。這個問題對以測點速來推算流量的儀表（如雙文丘利、插入式渦街、渦輪、熱式）尤為突出，這類儀表的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO07145[2]，規(guī)定前直管段應(yīng)具有30~50D的長度，才可能具有±3%的準(zhǔn)確度。顯然，在現(xiàn)場是很難滿足的。

圖2  多孔平衡節(jié)流裝置

    流動調(diào)整器[3]

    為解決現(xiàn)場直管段長度不足，又要保持流量儀表具有較高準(zhǔn)確度的問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織封閉管道流量專業(yè)委員會（ISO TC30）多年來一直建議采用圖1所示的各類流動調(diào)整器（flow conditioners），管束（AGA/ASME、ISO、AGA、ASME等）、板孔（Mitsabishi）及組合式（Zanker、 Sprenkle）。其中，組合式效果雖好，壓損卻數(shù)倍于前兩種；而板孔結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、安裝、壓損也較低、發(fā)展?jié)摿^大。以上三類各有所長，選用需因地制宜。安裝流動調(diào)整器可以在直管段長度達不到規(guī)范要求時，仍可保持流量儀表具有較高的準(zhǔn)確度，但為什么長期以來并未得到預(yù)期的推廣應(yīng)用？原因不僅在于增加了成本及維護工作量，還在于如圖1所示的管束結(jié)構(gòu)，它本身就要求具有2~4D（D管內(nèi)徑）長度，而安裝前后又要求具有前4~5D；后（調(diào)整器與流量儀表間）3~4D，總共約10D，對于已經(jīng)“捉襟見肘”的現(xiàn)場直管段長度而言很不現(xiàn)實，難以實現(xiàn)。其次還有以下缺點：a.增加了成本，一臺復(fù)合式流動調(diào)整器的加工成本不亞于一臺節(jié)流裝置；b.增加了安裝、維修工作量，若流體中含有粉塵，或固相物、凝析物，長期使用又得不到及時清洗，將沉積在水平調(diào)整器的下方，其結(jié)果反倒造成了速度分布不對稱的后果，無異于畫蛇添足。c.造成額外的壓力損失。鑒于上述種種原因，雖經(jīng)ISOTC30多年推薦，并未得到工程界廣泛地認(rèn)同。但是，它所取得的整流效果，還是啟發(fā)了業(yè)界的有志之士，為以后開發(fā)新型流量儀表提供了依據(jù)。

    內(nèi)錐式流量計

    數(shù)年前，ISOTC30公布了ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)，對經(jīng)典式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的安裝直管段長度提出了更詳細(xì)、更苛刻的要求，雖然標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在滿足要求的情況下不用單獨標(biāo)定，流出系數(shù)就可達到很高的不確定度（如標(biāo)準(zhǔn)孔板為0.5%）但是現(xiàn)場很難滿足上述條件，市場呼喚一種對直管要求不高又能維持較高準(zhǔn)確度的流量儀表。在此背景下，近幾年國內(nèi)專業(yè)媒體、技術(shù)講座等都大力推薦美國McCROMETER公司于1986年推出的內(nèi)錐式流量計，其環(huán)形收縮通道確有較好的整流效果[4]。工程應(yīng)用表明，也確對直管段要求不高，而又能維持較高的準(zhǔn)確度。但并非宣傳的那樣，前直管段長度僅需0~3D，對不少此國內(nèi)高校及研究機構(gòu)進行了大量的測試[5][6]。測試表明，當(dāng)β值小于0.6時，流量計準(zhǔn)確度可維持±1%，前直管段長度仍需3~5D；如為了減少永久壓損，令 β值加大到0.85時，整流效果很差，前直管段長度應(yīng)加大至10D以上。

    內(nèi)錐與管壁所形成的逐漸收縮的環(huán)形通道的確有整流效果應(yīng)該充分肯定。但也存在以下不足：a○單臂懸掛節(jié)流件內(nèi)錐已為事實證明，確實存在安全隱患，造成了重大事故；b○低壓取壓點位于內(nèi)錐后方漩渦區(qū)，粉塵、污物易堵塞低壓引壓管；c○內(nèi)錐后沒有動壓轉(zhuǎn)換為位能的恢復(fù)區(qū)，所形成的漩渦必然會產(chǎn)生較大的壓損，在β值較小時，其壓力損失僅次于孔板。

圖3  多孔整流節(jié)流裝置

    針對上述缺點，國內(nèi)先后推出了基于這種原理，而結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的新型節(jié)流裝置，如：槽道、梭式、雙錐式等[6]。但宣傳力度遠(yuǎn)不及內(nèi)錐，推廣應(yīng)用尚待時日。

    多孔平衡節(jié)流裝置

    本文前面已闡述了采用流動調(diào)整器的利弊，由于它本身就需要一定的直管段長度制約了它的推廣應(yīng)用。在長期的實踐過程中，人們發(fā)現(xiàn)縮小流動調(diào)整器與節(jié)流件之間的距離，對其整流效果影響不大，最終推出了將整流器與節(jié)流件合二為一，即直接將整流器作為節(jié)流件的新型節(jié)流裝置，這么做不僅節(jié)約了成本，還解決了已很局促的直管段長度。在此理念啟發(fā)下，2002年美國Rosemount公司首先按類似AGA/ASME的四管整流器推出了四孔孔板（圖2a），據(jù)稱可以將直管段長度縮短至2D，仍可維持±1%的準(zhǔn)確度。

    在此基礎(chǔ)上，2004年美國A+ Flowtek公司又推出了17孔的多孔孔板（圖2b）[7]，這17個孔分為三組，中心的一個孔孔徑最大，其余16孔分為二組，每組8孔，其圓心分處于 2個不同的直徑上，中間的8孔孔徑次之，外圍的孔徑最小。A+Flowtek公司稱其為Balanced Flowmeter，譯為平衡流量計，據(jù)其說明書，相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：準(zhǔn)確度±0.5%；直管段要求，前0.5D、后0.5D；量程比，10:1；壓力損失，ΔPe/ΔP為30%。

    對于以上這些技術(shù)參數(shù)是否如廠商宣傳的那么完美值得商榷，也有待實踐證實。特別有關(guān)所需直管長度的表述，行業(yè)中一般確定為自節(jié)流件前端面（即多孔孔板）至上游阻力件出口的距離為前直管段長度，而多孔平衡流量計是由多孔孔板與短管組合成一個整體供貨的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量計進口法蘭與阻力件之間的距離，平衡流量計的短管長度是2~10D，是要占有現(xiàn)場直管段的，如此表述誤導(dǎo)用戶。

    多孔整流式節(jié)流裝置

    基于技術(shù)的發(fā)展及市場的需求，天津市潤泰自動化儀表有限公司自行研發(fā)了多孔整流式節(jié)流裝置，并在第三方實驗室進行了流出系數(shù)、前直管段長度等測試，測試數(shù)據(jù)表明，由天津市潤泰自動化儀表有限公司研發(fā)的多孔整流式節(jié)流裝置，在直管段較短情況下，具有較好的整流效果，值得推廣，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)及相關(guān)說明分述如下：

    本裝置的節(jié)流件是一個按一定規(guī)律布局的多孔孔板，其功能除節(jié)流外，還具有整流功能，故按其主要功能命名為多孔整流式節(jié)流裝置。

    實驗設(shè)備：為某航天部門的水流量實驗室，實驗設(shè)備流量不確定度為0.05%，差壓變送器準(zhǔn)確度為0.075%，測試介質(zhì)為水，測試管徑為DN100。

    β值的確定：建議β值取0.50~ 0.65之間，β值過大強度減弱、β值過大壓損太大。

    三種結(jié)構(gòu)性能對比：在前直管段長度約為30D的條件下，對三種結(jié)構(gòu)的多孔節(jié)流裝置針對流出系數(shù)的重復(fù)性、不確定度、線性度進行了對比，數(shù)據(jù)表明A型（圖3a）的各項技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于B型（圖2b）及C型（圖3b）。

    前直管段長度：將A型整流節(jié)流裝置進行三種直管段長度（30D、5D、2D）測試，阻力件為90°彎頭測試的數(shù)據(jù)表明，A型節(jié)流件在前直管段僅2D 時，流出系數(shù)與基準(zhǔn)（30D）的流出系數(shù)之間的相對誤差可控制在±1%以內(nèi)；而當(dāng)前直管段長度達到5D時，與基準(zhǔn)流出系數(shù)之間相對誤差即可小于±0.3%，說明其整流效果較好，適用于直管段不長而又要求較高準(zhǔn)確度的現(xiàn)場。

    永久壓損：由于流體通過多孔節(jié)流裝置后不至于形成大漩渦而造成較大的永久壓損，在相同的β值條件下，應(yīng)小于孔板，而大于文丘里，這個預(yù)測還有待試驗證實。

    小結(jié)

    近十余年以來，貿(mào)易結(jié)算，工業(yè)計量與控制都迫切需要一種對直管段長度要求不高而能維持較高準(zhǔn)確度的流量儀表。內(nèi)錐流量計因此曾風(fēng)光一時，但無序的急于推廣，不分場合的非理性選用，已造成了嚴(yán)重事故，應(yīng)吸取教訓(xùn)，但不宜全盤否定。目前國內(nèi)外推出的多孔節(jié)流裝置，在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于內(nèi)錐，經(jīng)測試其數(shù)據(jù)也表明了較優(yōu)越的性能，值得逐步推廣應(yīng)用。

    應(yīng)該承認(rèn)，我國在工業(yè)自動化領(lǐng)域與國外尚有差距。改革開放以來，國內(nèi)不少代理商將國外先進產(chǎn)品、先進技術(shù)介紹到國內(nèi)，的確起到一些推動技術(shù)進步的作用，但是國外的產(chǎn)品在壟斷的情況下，價格都過于昂貴。為打破這一局面，不能滿足于代理而應(yīng)立足于自行生產(chǎn)。而生產(chǎn)又不能局限于仿制（內(nèi)錐流量計應(yīng)是一個教訓(xùn)），在認(rèn)真學(xué)習(xí)了國外的先進技術(shù)，并通過應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，就會發(fā)現(xiàn)不少國外產(chǎn)品也并非完美，完全可以著手改進，創(chuàng)立具有我國獨立知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品。

    [參考文獻]

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    [3] R?W?Miller  Flow Measurement Engineering Handbook  McGraw?Hill Book CO.1983
    [4] 毛新業(yè) “環(huán)形通道節(jié)流裝置的應(yīng)用與發(fā)展” 世界儀表與自動化 2006年1期
    [5] 徐英等 “基于Rnck-ε模型的內(nèi)錐流量計流出系數(shù)預(yù)測” 天津大學(xué)學(xué)報2007（10）
    [6] 毛新業(yè) “用測試數(shù)據(jù)評估環(huán)形通道流量儀表” 世界儀表與自動化 2009年1期
    [7] 于杰 “多孔平衡節(jié)流裝置應(yīng)用特點及工程改造” 醫(yī)藥工程設(shè)計 2008年29卷5期