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均速管流量计的设计和选用

发布日期:2018-11-30 14:18:51    | 作者:方原柏

本文介绍了均速管流量计设计选甩中的几个问题t结构、混浊流体的测量, 流速范围、直管段要求和差压值估算。

一、概述

均速管流量计是一种利用差压法测量气体、液体流量的测量装置,它通过对管道中流体平均速度的测量,反映出管道中流体的流量。它是美国Dieterich标准公司在60年代中期研制的产品,70年代随石油化工成套设备引进我国,圈内许多单位对其应用进行了研究,并生产出多种产品,其应用也越来越普遍。

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均速管流量计的工作原理见图1。

图1中,面对流体流动方向在全压管上开了4个测孔,测孔按切比雪夫法或其它方法定位,4个测孔检测的压力由插人管均压,插人管的压力与背对流体流动方向的静压管检测压力的差值,经开方运算后即反映测量截面处流体平均流速的大小,也就是反映了流量的大小。

与孔板等标准节流装置比较,均速管流量计具有以下特点:计算简便,易于按现场使用条件变更和修改参数;结构简单、易于加工,价格低廉;安装方便、维护量小;性能稳定,在长期使用过程中,其测量精确度基本不变;阻力损失小,大体相当于标准节流装置阻力损失的5%。

以制造成本为例,对直径100毫米的管道来说,孔板的价格稍高于均速管。随着管径的增加,孔板的制造成本直线上升,而均速管增加不多。当管径达到400毫米时,孔板的制造成本较100mm管径时增加了3~4倍,而均速管仅增加0.5倍。管径再大,价格相差就更多了(见图2)。

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但是,由于对均速管流量计的研究深度远不及标准节流装置,所以对流体介质较为清洁并需精确计量的场合,一般仍应选标准节流装置。二、结构

各种均速管本体结构大体相同,对选型来说其截面形状和静压取压点较为重要。

1.截面形状

均速管截面形状有圆形、菱形两种。当流体流过均速管时,流体微团发生反向流动的起始点称为分离点。对圆形截面均速管来说,雷诺数和静压的变化都会使分离点位置移动,从而使流量系数变化,如在雷诺数小于105及大于1.1×10时,流量系数基本稳定,但在105~1.1×106之间时,流量系数变化达士10%。这种异常称为临界现象。菱形裁面的均速管来说,分离点位置始终固定,因而不存在临界现象[]。

两种截面形状均速管的性能对比见表当设计选用圆形截面均速管后,应按流量变化范围计算雷诺数变化范围,如计算结果不能避开105~1.1×10范围,而测量精确度要求较高时,则应考虑选用菱形截面均速管。目前生产菱形截面均速管流量计的厂家有天津自动化仪表十厂、浙江杭州半山计量仪表厂、扬中县自动化仪表厂,扬中自控

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仪表厂等等。

2.静压取压点

均速管有工艺管壁取静压及测量管背面中心取静压两种结构。工艺管壁取静压的结构可以减小均速管的尺寸,其特性曲线直线性好,但所得差压值不足背面中心取静压所得差压值的一半,所以对低速流体不宜采用这种结构。

三、混浊流体的测量

均速管流量计的测量对象基本上与标准节流装置相同,主要用于干净的气体、液体及蒸汽,也可以用于有少量沉积物、粘附物的混浊流体。用于混浊流体时,应考虑选用带下述结构的均速管:

1.排污型均速管的一端装有取压河,而另一端装有排污阀,可在运行过程中排污。

2.不停车拆装型在均速管装置上装有球阀,可在运行中抽出均速管,然后迅速关闭球阀。当均速管清洗完毕后再打开球阀,重新装入均速管。这种在线精洗机构可以省去测量管线的旁路阀和旁路管线。

3、吹扫型采用图3所示外接管线可以对均速管进行间断吹扫。图中阀1为全压取样阀,阀2为静压取样阀,阀3、4为吹扫阀门。正常测量时,打开阀1、2,关闭阀3、4;吹扫时,关闭阀1、2,打开阀3、4.用介质蒸气或压缩空气可对均速管进行吹洗。

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一般认为,均速管所测流体的雷诺数应大于10,即处于紊流状态。这是因为均速管的工作原理属速度式流量计,是以测量流体在管道内平均流速为依据的,也就是说,它是以点代面地进行流量测量,而当流体处于层流状态时,点代表不了面,测量的精确度就很低了。

再从测量差压值方面考虑,当气体流速低于10米/秒、液体流速低于0.4米/秒时,差压值大致只有160~200Pa(背面中心取静压)或60~70Pa(管壁取静压)(见表3、表4)。差压值这样低,检测比较困难,精确度比较低。所以大多数资料推荐被测气体的流速应大于10米/秒、被测液体的流速应大于0.5米/秒。精确的流量测量则要求气体流速大于15米/秒,液体流速大于1米/秒。对气体来说,这个流速应该是根据工作状态下的体积流量计算出的实际流速。这一点对高温高压气体来说特别重要,因为在高温状态下实际流速远远大于换算成标准状态下的流速,而高压状态下实际流速又小于换算成标准状态下的流速。

五、直管段要求

由于均速管设有多对全压取压孔,所以对均速管安装位置前后直管段的要求低于孔板,具体要求见表2[2]。

值得注意的是,国内几乎所有均速管使

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用说明书引用这张表时,在序号1安装位置示意图中都路去了均速管下游侧的弯头,因此,用户无法理解“同一平面”“不同平面”有什么不同,因为不管上游侧弯头朝什么方向弯,均与主管线在“同一平面”。而表2序号1、2安装位置示意图有上游侧及下游侧两个弯头,“同一平面”与“不同平面”是指两个弯头是否在同一平面上。文献[2〕中的这张表也有不合情理之处。序号1、2的“均速管流量计安装位置”示意图与本文的次序是颠倒的。笔者认为序号1在均速管上游侧只一个90°弯头,而序号2有两个90°弯头,序号2要求上游侧直管段更长一点才合理。

某几个厂的产品说明书在列出表2的同时又加了一张插图(见图4),图名为“均速管所要求的上下游直管段”,图中表示了在均速管上游侧有一个90°弯头时,上下游直管段长度各为2D。在均速管设计选用及现场安装定点时,设计人员往往以此图作依据。这张插图也引自文献〔2],原文图名是“均速管流量计直接装在弯头后”。但文献〔2]正文中下述一段说明则没有被这些厂的使用说明书引用:“而尤其难得的是,均速管流量计可以直接安装在弯头后仅两倍直径的地方,仍有可能给出稳定的示值。在这种情况下,如经过单独的标定,可得到士2%的准确度,如仍用原给定的流量系数,仍可得到士5%的准确度。”正确的做法应采用本图的图名,并在正文中以显要位置对此图作必要的说明。

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笔者还建议,在只有图示4D直管段长度的场所,按上游侧2.5D、下游侧1.5D位置安装均速管效果可能更好。

六、最大差压值估算

用均速管进行流量测量,最大的缺点是差压值很小,特别是对低流速的气体更是如此。设计时应通过精确计算或估算,求出最大差压值,依此确定差压变送器的量程。如果无根据地选定差压变送器的量程,往往导致流量计现场投运时量程不符、需重新选型的错误。而均速管的最大差压值估算,比孔板计算要简单得多。为使设计选型正确,最天差压值估算应该是均速管流量计设计选用过程中不可缺少的一步。

均速管流量计最大差压值可按速算式近似估算:

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对背面中心取静压的方式来说, 计算时可先按K=0.6来估算差压,对管壁取静压的方式来说,计算时可先按K=1.0来估算差

[压,为了方便估算,列出了图53及表3、表4。由图5可方便地估算出流体流速,再按流体种类(气体、液体),分别查表3、表4,即可由流体流速查出最大差压值。

表3是以空气(20℃时重度1.205千克/立方米)为例计算的、表4是以水(20℃时重度998.2千克/立方米)为例计算的,与空气比重相近的气体、与水比重相近的液体,均可参照表3、表4确定最大差压值。

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如果设计者手头上已经有某厂产品的使用说明书,而说明书中已经提供了流量系数K的参考值,则可用前述式(1)直接计算最大差压值,或者按下列式(2)、式(3)

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求出修正后的最大差压值△P。对背面中心取静压的方式来说:

△Ps=AP(0.6/K)(2)对管壁取静压的方式来说:1②5

APe=AP(1:0/K)2(3)大多数均速管流量计出厂时要附标定证书,证书上列出单独标定的流量系数K值,根据标定证书上所列K值进行计算所得差压值是可靠的,根据这个差压值确定差压变送器的量程绝对不会错。但在设计选用时最多只能知道可供参考的K值,所以估算的结果可能会有士30~40%的出人。因此,所选择的差压变送器应该给AP值留有向上调及向下调的余地。如差压变送器准备选用西安仪表厂电动I型表,当估算的最大AP值为1600Pa时,既可以选用DBC-220(差压上限400~4000Pa),也可以选用DBC-330(差压上限1000~6000Pa)。相比之下,选DBC-220更为合适,因为往上调及往下调的幅度都比较大,而选DBC-330则往下调的幅度稍嫌不足。如准备选用1151型电容式差压变送器,当估算的最大△P值为3000Pa时,毫无疑问应该选1151DP-3E(差压上限1245~7467Pa);当估算的最大AP值为7000Pa时,则有1151DP-3E及1151DP-4E可供选择,但1151DP-3E量程向上调幅度过小,1151DP-4E量程向下调幅度过小(现场调整经验表明:1151变送器量程调整可超出规定范围士10%,如1151DP-3E的实际差上压限约为1100~8500Pa)。碰到这种情况,一定要以尽可能准确的K值进行较为精确的计算,以求选型尽量正确。

参考文邮

[1]毛新亚,自动化与仪器仪表,(4)1983.

{2]毛新亚,《均速管流量计》,北京,计量出版社。1980,

I3]上海化工设计院等,弥油化工自动化,(4),1978.





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