環(huán)形通道節(jié)流裝置的應(yīng)用與發(fā)展

一 前言
節(jié)流裝置作為一種流量儀表已有近百年的歷史，由于其工作可靠、可以承受高溫、高壓等惡劣的工況，特別是通過30多年來的大量試驗(yàn)，建立了數(shù)以萬計(jì)的數(shù)據(jù)庫，使其成為當(dāng)前唯一的無需通過實(shí)流標(biāo)定而可確定流量系數(shù)的流量計(jì)，常被用戶作為首選儀表。在近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，它的市場占用率達(dá)到了70%左右。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)這種儀表也極為重視，從1967年開始，相繼公布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，R541、R781，1987年又將其合并為ISO5167。隨后各國工程技術(shù)人員不斷對(duì)其在應(yīng)用條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，積累了大量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2003年又對(duì)ISO5167進(jìn)行了修訂，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)經(jīng)典式節(jié)流裝置的應(yīng)用提出了更為嚴(yán)格的條件，特別是不同程度地加長了前直管段長度，使其應(yīng)用面臨一些困難。上世紀(jì)八十年代后，不少新型儀表如電磁、超聲、渦街逐漸成熟，也極大地沖擊著市場，使孔板這種經(jīng)典式的節(jié)流裝置市場占有率有所下降。而在已建工程中，它的安裝臺(tái)數(shù)仍十分龐大，也積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，許多一線的工程技術(shù)人員還是習(xí)慣選用它，如何改進(jìn)、用好這類儀表就成為一個(gè)方興未艾，較為活躍的研究領(lǐng)域。
二 非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置
在許多工業(yè)部門中，如火電的鍋爐、天然氣、石油的開采與輸送，冶金、鋼鐵中產(chǎn)生的煤氣，礦業(yè)開采中的選礦，以及采用液體或氣體作為載體輸送固體原料、產(chǎn)品……，這些流體多不“潔凈”，而呈現(xiàn)雙相或多相狀態(tài)，如采用經(jīng)典節(jié)流裝置如孔板(圖1)，在運(yùn)行中產(chǎn)生不少問題。由于孔板前后將產(chǎn)生2個(gè)滯流區(qū)，固相介質(zhì)將滯留、堆積在這個(gè)區(qū)域中，日積月累，將縮小孔板中心的通道，引起較大的誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至無法正常工作。鑒于上述情況，早于上世紀(jì)五十年代，研制、推出了不少非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，如偏心孔板、圓缺孔板、楔形流量計(jì)等(圖2)。其共同的特點(diǎn)是迫使流動(dòng)偏離中心，從管道下方流過，使較重的固態(tài)介質(zhì)難以滯留，造成非對(duì)稱的流動(dòng)，從流動(dòng)的效果來看與阻力件無異，使用中并不理想。
而環(huán)形孔板是其中較為典型效果較好的一種非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。它早于1939年由美國學(xué)者Howell提出并進(jìn)行了一些測試，并在上世紀(jì)六十年代由英國NEL再次進(jìn)行了大量試驗(yàn)，推出了產(chǎn)品，開始應(yīng)用于現(xiàn)場。而我國應(yīng)用它是近十年的事。環(huán)形孔板(圖3)的結(jié)構(gòu)是在管道中同心地固定了一個(gè)圓板，而流體則從管道邊緣的環(huán)形通道流過。它既未破壞流動(dòng)的對(duì)稱性，又使管道中不同比重的物質(zhì)各行其道，比重大的物質(zhì)從管道底部疏泄，比重輕的物質(zhì)如氣體、蒸汽從管道上部通過。實(shí)用表明，環(huán)形通道對(duì)上游直管段長度的要求，沒有經(jīng)典及非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置那樣苛刻，這也是它的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。不足的是，與經(jīng)典節(jié)流裝置比較，缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以標(biāo)準(zhǔn)化，特別是在當(dāng)量βT值接近0.9時(shí)，流量系數(shù)的變化較大，每臺(tái)儀表都必須通過標(biāo)定才能出廠。另外，其壓損也較大。
三 內(nèi)錐式流量計(jì)
上世紀(jì)80年代中期，也許是受環(huán)形孔板的啟發(fā)，環(huán)形通道可以改善流場，無需過長的直管段，美國MCCROMETER公司推出了內(nèi)錐式(V-cone)流量計(jì)(圖4)。這種流量計(jì)的節(jié)流件是一個(gè)懸掛在管道中央的錐形體，它具有改善流場的作用。前錐角的約30°后錐角為150°。高壓P1取自錐體前流體尚未節(jié)流加速的管壁；低壓P2則取自后錐體中央，并通過內(nèi)錐前方的支桿引出管外。其差壓(P1-P2)的平方根與流量成正比。計(jì)算公式與孔板類似，只需將環(huán)形通道的面積折合為孔板中心通道的面積、用當(dāng)量β值進(jìn)行計(jì)算。
實(shí)驗(yàn)表明，內(nèi)錐形成了環(huán)形通道，且通道逐漸減小，迫使流體加速降壓，由于流體在加速過程中有消除、減小漩渦、改善流場的作用。因此，它對(duì)前直管段的要求不僅比經(jīng)典式節(jié)流裝置小得多，也比環(huán)形孔板小一些。
2003年3月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)近年來對(duì)孔板進(jìn)行的一系列試驗(yàn)及應(yīng)用情況，修改了ISO05167(1991)，新標(biāo)準(zhǔn)ISO5167(2003)的多項(xiàng)修改中，對(duì)使用者而言密切有關(guān)的是進(jìn)一步要求增長前直管段，一般將原來30D增長到了44D；這個(gè)要求在實(shí)際現(xiàn)場很難滿足。新標(biāo)準(zhǔn)也建議可采用流動(dòng)調(diào)整器(Flow Conditioners)以減小直管段長度，這樣做又會(huì)增加成本及維護(hù)工作量，并非上策。在這種形勢下，對(duì)直管段無苛求且可測臟污流體的環(huán)形通道節(jié)流裝置應(yīng)運(yùn)而生，加上媒體、會(huì)議的大力宣傳，近二年在我國形成了一股“內(nèi)錐熱”，在我國絕大多數(shù)的節(jié)流裝置生產(chǎn)廠都紛紛生產(chǎn)、推出這種新產(chǎn)品，它較孔板確有不少優(yōu)點(diǎn)。
內(nèi)錐式生產(chǎn)廠商宣稱這種流量計(jì)的精確度優(yōu)于±0.5%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%，上游直管段僅需0～3D，下游為0～1D，壓損很小，量程比可達(dá)15∶1，可測臟污流體……等。以上這些技術(shù)參數(shù)不少值得商榷，例如：
(1) 直管段  在阻力件(彎頭、閘閥、歧管、變徑管……)后，會(huì)產(chǎn)生漩渦及二次流，完全消失經(jīng)測試需5～7D，內(nèi)錐體雖有整流作用，但當(dāng)流體還未到達(dá)內(nèi)錐，未必可“遙控”整流，神奇到如廠家所描述的那樣理想，甚至（如其附圖所示）可達(dá)到均直流場，更是令人難以置信。
(2) 結(jié)構(gòu)  內(nèi)錐體由一根支桿懸掛在管道中央，這種單臂懸掛從力學(xué)角度看不太穩(wěn)定，易產(chǎn)生振動(dòng)。為保證足夠的剛性，勢必要加粗支桿，而這樣又破壞了流場的對(duì)稱性。
(3) 取壓點(diǎn)。內(nèi)錐式仍通過測差壓推算流量。它的高壓取自內(nèi)錐前管壁，并非流體的最高壓力(總壓)，而此處由于阻力件的影響，尚可能存在漩渦及二次流；而低壓取自后錐體中心，此處由于截面突然變大，是一個(gè)強(qiáng)烈的漩渦區(qū)，壓力波動(dòng)幅度較大，在這二處取差壓推算流量未必合理。
(4) 準(zhǔn)確度  鑒于上述原因，準(zhǔn)確度就難以達(dá)到(廠家甚至說優(yōu)于)±0.5%，當(dāng)然在試驗(yàn)室標(biāo)定由于流場較為理想有可能得到較高的重復(fù)性，(這里強(qiáng)調(diào)是重復(fù)性不是準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確度還應(yīng)包括標(biāo)定裝置的不確定度)，而實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場在無法保證試驗(yàn)室的流場條件時(shí)，也就無法保證所標(biāo)定的準(zhǔn)確度。
(5) 不可恢復(fù)壓損  在內(nèi)錐后由于流通截面突然擴(kuò)大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦。眾所周知，它的產(chǎn)生、消失是一個(gè)不可逆的非等熵過程，會(huì)有較大的壓力損失。(這也正是不少阻力件壓損大的原因)，內(nèi)錐式流量計(jì)并非壓損小的節(jié)能產(chǎn)品。
(6) 量程比  廠商說量程比達(dá)到15∶1是可能的，而前提是必需采用智能式差壓變送器。內(nèi)錐式與孔板一樣，流量都是正比于差壓的平方根。孔板如也采用智能式變送器量程比也可達(dá)到15∶1，量程比大并非內(nèi)錐式本身的優(yōu)勢。
四 梭式流量計(jì)
梭式流量計(jì)是經(jīng)我國專利局審定，于2005年10月19日公布、授權(quán)，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利產(chǎn)品(專利號(hào)2L200420061026.9)，也是一種環(huán)形通道節(jié)流裝置。
它的主要結(jié)構(gòu)及原理如圖5所示：梭形節(jié)流件用三個(gè)剖面為翼形的支桿固定在管道中。當(dāng)前直管道較長(L>7D)時(shí)，由于環(huán)形通道的整流作用，管內(nèi)流速分布較好，近于充分發(fā)展紊流，總壓僅取一點(diǎn)，位于前錐體的中央，此處流體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為位能，應(yīng)是流體的最高壓力。而靜壓(低壓)則取自環(huán)形通道最窄處的管壁上，位于二個(gè)支桿之間，相距約60°；當(dāng)直管較短(L<5D)時(shí)，考慮管道中實(shí)際流速分布雖經(jīng)梭體整流未必均衡、對(duì)稱。因此，總壓取自三翼形支桿上，每個(gè)支桿取3～4點(diǎn)，在整個(gè)環(huán)形通道上均勻分布了9～12點(diǎn)，這樣在直管很短對(duì)，也能充分反映環(huán)形通道的流速分布。
梭式流量計(jì)的尾部可使加速的流體在擴(kuò)張的通道中，不分離的條件下，減速增壓，動(dòng)能逐步、充分地轉(zhuǎn)化為位能，使不可恢復(fù)壓損降至最小，因而是節(jié)能產(chǎn)品。
在直管道較短時(shí)，管內(nèi)流體流向并不平行于軸線，所測總壓未必為真實(shí)。梭式流量計(jì)在每個(gè)總壓孔上嵌入了一種導(dǎo)流嘴，這種導(dǎo)流嘴早于1986年實(shí)驗(yàn)表明，在流向偏離±30°情況，均能充分反映真實(shí)的總壓值的效果。
整個(gè)梭體只起整流、導(dǎo)向作用，梭體可通過小孔溝通內(nèi)外的壓力，無論管道中流體有多高的壓力，均與梭體無關(guān)。流量計(jì)的外殼（即管道）沒有焊縫，因而可以將中心通道的文丘利管可承受更高的壓力。
五 小結(jié)
近二年由于ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)的公布，再加上在工業(yè)現(xiàn)場中日益增多二相流的測量問題，環(huán)形通道流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，有了很大的發(fā)展，優(yōu)劣與否有待實(shí)踐證明、用戶認(rèn)可。由于影響流量儀表應(yīng)用的因素較多。每一種產(chǎn)品都只能在某一領(lǐng)域中各盡所能、發(fā)揮作用。尚沒有一種可取代一切其流量儀表，宣傳、推銷都應(yīng)實(shí)事求是、留有余地。

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