甲烷流量計在測量過程中對于管道的變徑整流器應(yīng)用分析
點擊次數(shù)：2058 發(fā)布時間：2021-01-08 06:47:03
一、概述
一般流量計前后的變徑都是為了適應(yīng)流量計，為了滿足流量計的測量范圍，使流量計的測量精確度達(dá)到*好。比如說介質(zhì)不滿管、流量偏高或偏低、都可以通過縮徑或擴(kuò)徑來使其達(dá)到流量計的要求。但前后變徑必須要注意留好足夠的直管段，否則流量計的精度不但不會提升，反而會下降。傳統(tǒng)的流體整流器經(jīng)長期的研究與實踐已趨于成熟，它一般采用阻隔體分隔流道來調(diào)整管道內(nèi)的速度分布，以達(dá)到整流的目的；這一類整流器主要用于實驗室和流量標(biāo)定系統(tǒng)。但這種方法易引起污物堵塞和增加阻力損失，所以在工業(yè)管道上很少采用。
甲烷流量計由于其獨特的性能，一直受到人們重視，并己到了廣泛的應(yīng)用，但仍有兩個方面的問題困擾著人們，一是由于儀表上游管道阻流件的干擾，流場發(fā)生畸變，影響旋渦正常撥離。為了克服流場擾動，儀表前需要配裝較長直管道（一般為15~40倍的工藝管內(nèi)徑的長度），而在實際現(xiàn)場是很難滿足的。二是，甲烷流量計主要特點之一是量程寬，一般在10：1左右，應(yīng)該說這樣寬的測量范圍應(yīng)屬比較優(yōu)良的性能，但在實際工業(yè)應(yīng)用中，*大流量遠(yuǎn)低于儀表的上限值，*小流量又往往會低于儀表的下限值，一些儀表經(jīng)常工作在下限流量附近，造成儀表的計量準(zhǔn)確度下降，這時信號較弱，儀表的抗干擾能力也下降。為了測量小流量，人們往往采用內(nèi)腔形狀為園臺的傳統(tǒng)變徑管，經(jīng)過縮徑提高測量處的流速。使甲烷流量計工作在正常流速范圍內(nèi)，但這種變徑方式，結(jié)構(gòu)尺寸大（一般長度為工藝管內(nèi)徑的3~5倍），同時，由于流體流經(jīng)變徑管，在變徑處產(chǎn)生大量旋轉(zhuǎn)流團(tuán)，增大局部阻力損失，也使流場發(fā)生畸變。所以必須在變徑管與儀表之間加裝大于15倍工藝管內(nèi)徑長度的直管道進(jìn)行整流，且增加了沿程阻力損失（如圖1所示），這種方法增加施工成本，也給加工、安裝帶來不便。
縱端面采用特殊形線的變徑整流器（己申報****），具有整流，提高流速及改變流速分布的多重作用，其結(jié)構(gòu)尺寸小，長度僅為工藝管內(nèi)徑的1/3，可以直接卡裝在儀表的兩端，不僅不需要另外附加直管道，而且可以降低儀表對上游直管道的要求。實驗表明：儀表上游阻力件為一個平面內(nèi)的兩個90°彎頭 在一般情況下，甲烷流量計上游側(cè)應(yīng)加裝大于20倍管道內(nèi)徑長度的直管道，而甲烷流量計加裝了變徑整流器大大降低了對上游測直管道長度的要求，其阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的變徑管。更主要的是，可使下限流速降為原來的1/3，量程比提高到15：1以上。
二、原理及分析
*先應(yīng)該指出，傳統(tǒng)的變徑管可以經(jīng)過縮徑，并配以較小口徑的流量計來達(dá)到測量小流量的目的，但是這種方法不可能擴(kuò)大儀表的量程比，因為它并末改變管道的流速分布狀態(tài)。我們知道，甲烷流量計的理論及推導(dǎo)是基于在無窮大的均勻流場中得到的，而在實際封閉圓管中，卻是非均勻流場，橫斷面的流速分布是一回轉(zhuǎn)拋物面，雖然選擇合理的柱型，使柱體兩側(cè)弓形面的流速分布均勻，但實際上，工藝管道上回轉(zhuǎn)拋物面的流速分布的影響是客觀存在的。實驗表明在比較大的流量時，這個影響較小，或說這個影響在允許的范圍內(nèi)；但隨著流量的下降，這個影響越來越大，從大量標(biāo)定數(shù)據(jù)看，儀表常數(shù)總是隨著流量的減小而增大。這說明取樣點的流速與平均流速差異越來越大。
采用了變徑整流器后（見圖2），由于縮經(jīng)斷面的流速在逐漸增大，在斷面上各點流速的增加是不一樣的，靠近中心流速增加小，而靠近喉徑邊沿處流速增加大。
設(shè)整流器進(jìn)口處壓力為P1，平均流速為V1，某點上的速度不均勻度為U1，出口處壓力為P2，平均流速為V2，通過進(jìn)口處某點同**線，在出口處的速度不均勻度為U2，沿該流線，由伯努利方程得：
由式（6）可見，收縮比對出口處流速均勻度的影響，即對于一定的進(jìn)口速度不均勻度，
出口處的速度不均勻度將縮小n2倍。因此出口處流速趨于均勻，更接近甲烷流量計理論的均勻流場的條件，不僅使漩渦趨于穩(wěn)定，且提高了儀表的測量范圍。另外，這種變徑整流器，在流體動能的轉(zhuǎn)換過程中有效的抑制了干擾。三、實驗驗正
例1：一臺口徑為40mm的甲烷流量計安裝在φ40的工藝管道上，標(biāo)定滿足精度1%的量程比為8：1，當(dāng)安裝在φ50工藝管道上，并在儀表兩側(cè)安裝變徑整流器，在15：1的范圍內(nèi)精度為1.0%。
例2：二臺口徑為50mm和40mm甲烷流量計配裝整流器后，分別安裝在口徑為80mm工藝管道上，進(jìn)行水標(biāo)定。實驗數(shù)據(jù)見表1。
工藝管內(nèi)徑/整流器喉部直徑（mm） 儀表常數(shù)重復(fù)性 非線性 量程 *小流速（米/秒）
80/50 17452 0.05% 0.95% 15:1 0.1
80/40 10197 0.04% 0.78% 15:1 0.16
流量計整流變徑再將兩臺口徑為φ50mm和φ40mm甲烷流量計配裝整流器后，分別安裝在φ80mm工以管道上，且儀表上游尉為一個平面內(nèi)兩個90°彎頭，變徑整流器前端與*二個90°彎頭距離為3倍工藝管內(nèi)徑長段，進(jìn)行水標(biāo)定，工藝圖如圖3，實驗數(shù)據(jù)見表2
工藝管內(nèi)徑/整流器喉部直徑（mm） 儀表常數(shù)重復(fù)性 非線性 量程 *小流速（米/秒）
80/50 17266 0.02% 0.9% 16:1 0.1
80/40 10278
0.15% 0.08% 15:1 0.15
實驗結(jié)果表明：
1、在管道流速較低時，采用變徑整流器，使儀表特性總體保持良好狀態(tài)；
2、 采用變徑整流器，在儀表上游阻流件形式為一個平面內(nèi)2個90°彎頭，直管道很短（3D）的情況下，儀表常數(shù)的偏移在0.7%左右，說明整流器具有良好的流動調(diào)整性能。（與實驗相同的上游阻流件形式在不裝整流器條件下，儀表上游直管道長段為8倍工藝管內(nèi)徑時，儀表常數(shù)偏移為2.0%?。?br /> 3、 在儀表前加裝變徑整流器，投展了儀表的測量范圍。
這與理論分析是相吻合的。
四、阻力計算
設(shè)工藝管道直徑為D1, 介質(zhì)的密度為ρ，流速為V1甲烷流量計的壓力損失為?ω1， 整流器壓力損失為?ω3， 總壓力損失為?ω。?ω1=0.3ρV2 1（Pa）采用整流器后，儀表口徑為D2，則甲烷流量計處的流速為V2壓損為?ω2。
?ω2=1.3ρV2 2=（V2/V1）2·?ω1=（D1/D2）4·?ω1
整流器的壓損，取決于縮徑比D2/D1，之值一般都在0.8以上，則整流器的壓損：
?ω3=0.12?ω2
所以總的壓損?ω為：?ω=1.12?ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）
例：管徑為D1=100mm的水計量系統(tǒng)，采用甲烷流量計作為流量計量儀表，其*大流速Vmax為1m/s，其*小流速Vmin為0.3m/s，擬采用100/80整流器計算各相關(guān)參數(shù)：縮徑后流速為V2：V2max=（100/80）2×1=1.56m/s
V2min=0.47m/s?ωmax=1.12（D1/D2）41.3ρV2 1=1.12（100/80）4×1.3×998×1=3547（Pa）
五、應(yīng)用舉例
加裝變徑整流器滿管式甲烷流量計已大量用于氣體、水、蒸氣等介質(zhì)的測量，其實例枚不勝舉，均收到了令人滿意的效果。
更值得一提的是，將變徑整流器與插入式甲烷流量計配套使用（見圖4），用于大口徑煤氣測量，成功地解決了大口徑煤氣介質(zhì)臟，流速低、流量變化大，允許壓損小等者大難問題。
在冶金行業(yè)中，測量大口徑煤氣一般采用孔板流星計，由于其自身的局限性，很難滿足實際測量要求，其問題是：①煤氣中含有粉塵和各種雜質(zhì)，經(jīng)一段時間運行，大量粉塵堆積在孔板的上游側(cè)，各種雜質(zhì)附著在測量元件表面，就孔板來說，已無準(zhǔn)確度可言，同時又經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)管堵塞的問題。由于生產(chǎn)的連續(xù)性，不可能停氣清洗或更換孔板。②由于介質(zhì)
流速低，為獲得較大的差壓，孔板的開孔徑一般都比較小，造成壓損大，當(dāng)流量增大時，孔
板卻起不了限流作用，遇到此類情況，有些企業(yè)不得不拆除孔板來滿足生產(chǎn)。③普通孔板流量計的量程近為3：1，往往不能滿足實際工況的需要。
已投入實際運行的變徑整流器與插入式甲烷流量計所構(gòu)成煤氣流量計量系統(tǒng)：①變徑整流器入口處為光滑曲線，介質(zhì)流經(jīng)時，有自清洗的效果，不會造成粉塵堆積。②變徑處流速提升可滿足插入式渦銜流量計下限流速的要求，且甲烷流量計量程比為10：1，完全滿足煤氣測量范圍的要求。③插入式甲烷流量計可在管道不斷流的情況下拆出測頭進(jìn)行定期或不定期清洗。滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求。④壓損小，插入式甲烷流量計測頭部分在大口徑管道內(nèi)的流阻很小可忽略不計，變徑部分的變徑比一般都大于0.7，管道*大流速按25米/秒計算，壓損僅在200Pa以內(nèi)。
上述表明，此種方法是解決大口徑煤氣計量的行之有效的方法。
六、結(jié)束語
甲烷流量計與變徑整流器配套使用，形成了一種新的流量測量系統(tǒng)，可使流量測量下限為下降（為原來的1/3），測量范圍擴(kuò)大（15：1以上），并可以大大降低儀表對上游直管道長度的要求。這對一個流量計來講無疑是一個不小的進(jìn)步，它拓寬了甲烷流量計的應(yīng)用范圍，在燃?xì)狻⒊鞘忻簹?、水、熱水、蒸汽、油品、奶液、藥液、化工產(chǎn)品（上述介質(zhì)一般要求下限流速低，測量范圍寬）的流量測量中將發(fā)揮突出優(yōu)勢。變徑整流器在工業(yè)用戶中實際應(yīng)用情況還表明，變徑整流器簡化了儀表安裝工藝，并且大大降低了工程造價。
變徑整流器研究與應(yīng)用是流量應(yīng)用技術(shù)研究的典型實例，它本身的研究還有待于進(jìn)一步的深入，同時我們還應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注其它與流量鋇幢相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)研究，充分利利用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備資源，真正解決一些流量測量的難點問題
一般流量計前后的變徑都是為了適應(yīng)流量計，為了滿足流量計的測量范圍，使流量計的測量精確度達(dá)到*好。比如說介質(zhì)不滿管、流量偏高或偏低、都可以通過縮徑或擴(kuò)徑來使其達(dá)到流量計的要求。但前后變徑必須要注意留好足夠的直管段，否則流量計的精度不但不會提升，反而會下降。傳統(tǒng)的流體整流器經(jīng)長期的研究與實踐已趨于成熟，它一般采用阻隔體分隔流道來調(diào)整管道內(nèi)的速度分布，以達(dá)到整流的目的；這一類整流器主要用于實驗室和流量標(biāo)定系統(tǒng)。但這種方法易引起污物堵塞和增加阻力損失，所以在工業(yè)管道上很少采用。
甲烷流量計由于其獨特的性能，一直受到人們重視，并己到了廣泛的應(yīng)用，但仍有兩個方面的問題困擾著人們，一是由于儀表上游管道阻流件的干擾，流場發(fā)生畸變，影響旋渦正常撥離。為了克服流場擾動，儀表前需要配裝較長直管道（一般為15~40倍的工藝管內(nèi)徑的長度），而在實際現(xiàn)場是很難滿足的。二是，甲烷流量計主要特點之一是量程寬，一般在10：1左右，應(yīng)該說這樣寬的測量范圍應(yīng)屬比較優(yōu)良的性能，但在實際工業(yè)應(yīng)用中，*大流量遠(yuǎn)低于儀表的上限值，*小流量又往往會低于儀表的下限值，一些儀表經(jīng)常工作在下限流量附近，造成儀表的計量準(zhǔn)確度下降，這時信號較弱，儀表的抗干擾能力也下降。為了測量小流量，人們往往采用內(nèi)腔形狀為園臺的傳統(tǒng)變徑管，經(jīng)過縮徑提高測量處的流速。使甲烷流量計工作在正常流速范圍內(nèi)，但這種變徑方式，結(jié)構(gòu)尺寸大（一般長度為工藝管內(nèi)徑的3~5倍），同時，由于流體流經(jīng)變徑管，在變徑處產(chǎn)生大量旋轉(zhuǎn)流團(tuán)，增大局部阻力損失，也使流場發(fā)生畸變。所以必須在變徑管與儀表之間加裝大于15倍工藝管內(nèi)徑長度的直管道進(jìn)行整流，且增加了沿程阻力損失（如圖1所示），這種方法增加施工成本，也給加工、安裝帶來不便。
縱端面采用特殊形線的變徑整流器（己申報****），具有整流，提高流速及改變流速分布的多重作用，其結(jié)構(gòu)尺寸小，長度僅為工藝管內(nèi)徑的1/3，可以直接卡裝在儀表的兩端，不僅不需要另外附加直管道，而且可以降低儀表對上游直管道的要求。實驗表明：儀表上游阻力件為一個平面內(nèi)的兩個90°彎頭 在一般情況下，甲烷流量計上游側(cè)應(yīng)加裝大于20倍管道內(nèi)徑長度的直管道，而甲烷流量計加裝了變徑整流器大大降低了對上游測直管道長度的要求，其阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的變徑管。更主要的是，可使下限流速降為原來的1/3，量程比提高到15：1以上。
二、原理及分析
*先應(yīng)該指出，傳統(tǒng)的變徑管可以經(jīng)過縮徑，并配以較小口徑的流量計來達(dá)到測量小流量的目的，但是這種方法不可能擴(kuò)大儀表的量程比，因為它并末改變管道的流速分布狀態(tài)。我們知道，甲烷流量計的理論及推導(dǎo)是基于在無窮大的均勻流場中得到的，而在實際封閉圓管中，卻是非均勻流場，橫斷面的流速分布是一回轉(zhuǎn)拋物面，雖然選擇合理的柱型，使柱體兩側(cè)弓形面的流速分布均勻，但實際上，工藝管道上回轉(zhuǎn)拋物面的流速分布的影響是客觀存在的。實驗表明在比較大的流量時，這個影響較小，或說這個影響在允許的范圍內(nèi)；但隨著流量的下降，這個影響越來越大，從大量標(biāo)定數(shù)據(jù)看，儀表常數(shù)總是隨著流量的減小而增大。這說明取樣點的流速與平均流速差異越來越大。
采用了變徑整流器后（見圖2），由于縮經(jīng)斷面的流速在逐漸增大，在斷面上各點流速的增加是不一樣的，靠近中心流速增加小，而靠近喉徑邊沿處流速增加大。
設(shè)整流器進(jìn)口處壓力為P1，平均流速為V1，某點上的速度不均勻度為U1，出口處壓力為P2，平均流速為V2，通過進(jìn)口處某點同**線，在出口處的速度不均勻度為U2，沿該流線，由伯努利方程得：
由式（6）可見，收縮比對出口處流速均勻度的影響，即對于一定的進(jìn)口速度不均勻度，
出口處的速度不均勻度將縮小n2倍。因此出口處流速趨于均勻，更接近甲烷流量計理論的均勻流場的條件，不僅使漩渦趨于穩(wěn)定，且提高了儀表的測量范圍。另外，這種變徑整流器，在流體動能的轉(zhuǎn)換過程中有效的抑制了干擾。三、實驗驗正
例1：一臺口徑為40mm的甲烷流量計安裝在φ40的工藝管道上，標(biāo)定滿足精度1%的量程比為8：1，當(dāng)安裝在φ50工藝管道上，并在儀表兩側(cè)安裝變徑整流器，在15：1的范圍內(nèi)精度為1.0%。
例2：二臺口徑為50mm和40mm甲烷流量計配裝整流器后，分別安裝在口徑為80mm工藝管道上，進(jìn)行水標(biāo)定。實驗數(shù)據(jù)見表1。
工藝管內(nèi)徑/整流器喉部直徑（mm） 儀表常數(shù)重復(fù)性 非線性 量程 *小流速（米/秒）
80/50 17452 0.05% 0.95% 15:1 0.1
80/40 10197 0.04% 0.78% 15:1 0.16
流量計整流變徑再將兩臺口徑為φ50mm和φ40mm甲烷流量計配裝整流器后，分別安裝在φ80mm工以管道上，且儀表上游尉為一個平面內(nèi)兩個90°彎頭，變徑整流器前端與*二個90°彎頭距離為3倍工藝管內(nèi)徑長段，進(jìn)行水標(biāo)定，工藝圖如圖3，實驗數(shù)據(jù)見表2
工藝管內(nèi)徑/整流器喉部直徑（mm） 儀表常數(shù)重復(fù)性 非線性 量程 *小流速（米/秒）
80/50 17266 0.02% 0.9% 16:1 0.1
80/40 10278
0.15% 0.08% 15:1 0.15
實驗結(jié)果表明：
1、在管道流速較低時，采用變徑整流器，使儀表特性總體保持良好狀態(tài)；
2、 采用變徑整流器，在儀表上游阻流件形式為一個平面內(nèi)2個90°彎頭，直管道很短（3D）的情況下，儀表常數(shù)的偏移在0.7%左右，說明整流器具有良好的流動調(diào)整性能。（與實驗相同的上游阻流件形式在不裝整流器條件下，儀表上游直管道長段為8倍工藝管內(nèi)徑時，儀表常數(shù)偏移為2.0%?。?br /> 3、 在儀表前加裝變徑整流器，投展了儀表的測量范圍。
這與理論分析是相吻合的。
四、阻力計算
設(shè)工藝管道直徑為D1, 介質(zhì)的密度為ρ，流速為V1甲烷流量計的壓力損失為?ω1， 整流器壓力損失為?ω3， 總壓力損失為?ω。?ω1=0.3ρV2 1（Pa）采用整流器后，儀表口徑為D2，則甲烷流量計處的流速為V2壓損為?ω2。
?ω2=1.3ρV2 2=（V2/V1）2·?ω1=（D1/D2）4·?ω1
整流器的壓損，取決于縮徑比D2/D1，之值一般都在0.8以上，則整流器的壓損：
?ω3=0.12?ω2
所以總的壓損?ω為：?ω=1.12?ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）
例：管徑為D1=100mm的水計量系統(tǒng)，采用甲烷流量計作為流量計量儀表，其*大流速Vmax為1m/s，其*小流速Vmin為0.3m/s，擬采用100/80整流器計算各相關(guān)參數(shù)：縮徑后流速為V2：V2max=（100/80）2×1=1.56m/s
V2min=0.47m/s?ωmax=1.12（D1/D2）41.3ρV2 1=1.12（100/80）4×1.3×998×1=3547（Pa）
五、應(yīng)用舉例
加裝變徑整流器滿管式甲烷流量計已大量用于氣體、水、蒸氣等介質(zhì)的測量，其實例枚不勝舉，均收到了令人滿意的效果。
更值得一提的是，將變徑整流器與插入式甲烷流量計配套使用（見圖4），用于大口徑煤氣測量，成功地解決了大口徑煤氣介質(zhì)臟，流速低、流量變化大，允許壓損小等者大難問題。
在冶金行業(yè)中，測量大口徑煤氣一般采用孔板流星計，由于其自身的局限性，很難滿足實際測量要求，其問題是：①煤氣中含有粉塵和各種雜質(zhì)，經(jīng)一段時間運行，大量粉塵堆積在孔板的上游側(cè)，各種雜質(zhì)附著在測量元件表面，就孔板來說，已無準(zhǔn)確度可言，同時又經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)管堵塞的問題。由于生產(chǎn)的連續(xù)性，不可能停氣清洗或更換孔板。②由于介質(zhì)
流速低，為獲得較大的差壓，孔板的開孔徑一般都比較小，造成壓損大，當(dāng)流量增大時，孔
板卻起不了限流作用，遇到此類情況，有些企業(yè)不得不拆除孔板來滿足生產(chǎn)。③普通孔板流量計的量程近為3：1，往往不能滿足實際工況的需要。
已投入實際運行的變徑整流器與插入式甲烷流量計所構(gòu)成煤氣流量計量系統(tǒng)：①變徑整流器入口處為光滑曲線，介質(zhì)流經(jīng)時，有自清洗的效果，不會造成粉塵堆積。②變徑處流速提升可滿足插入式渦銜流量計下限流速的要求，且甲烷流量計量程比為10：1，完全滿足煤氣測量范圍的要求。③插入式甲烷流量計可在管道不斷流的情況下拆出測頭進(jìn)行定期或不定期清洗。滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求。④壓損小，插入式甲烷流量計測頭部分在大口徑管道內(nèi)的流阻很小可忽略不計，變徑部分的變徑比一般都大于0.7，管道*大流速按25米/秒計算，壓損僅在200Pa以內(nèi)。
上述表明，此種方法是解決大口徑煤氣計量的行之有效的方法。
六、結(jié)束語
甲烷流量計與變徑整流器配套使用，形成了一種新的流量測量系統(tǒng)，可使流量測量下限為下降（為原來的1/3），測量范圍擴(kuò)大（15：1以上），并可以大大降低儀表對上游直管道長度的要求。這對一個流量計來講無疑是一個不小的進(jìn)步，它拓寬了甲烷流量計的應(yīng)用范圍，在燃?xì)狻⒊鞘忻簹?、水、熱水、蒸汽、油品、奶液、藥液、化工產(chǎn)品（上述介質(zhì)一般要求下限流速低，測量范圍寬）的流量測量中將發(fā)揮突出優(yōu)勢。變徑整流器在工業(yè)用戶中實際應(yīng)用情況還表明，變徑整流器簡化了儀表安裝工藝，并且大大降低了工程造價。
變徑整流器研究與應(yīng)用是流量應(yīng)用技術(shù)研究的典型實例，它本身的研究還有待于進(jìn)一步的深入，同時我們還應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注其它與流量鋇幢相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)研究，充分利利用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)備資源，真正解決一些流量測量的難點問題