节流装置如何面对ISO5167新标准

出处:lsbaobei 发布于:2007-04-29 09:50:33

作者:毛新业 xymao518@163.com
关键词:ISO5167,节流装置,直管段,流动调整器,内锥式流量计
一、前言
长期以来,节流装置(孔板、喷咀、文丘利管)因适用于多种流体(气体、液体、蒸汽),且耐高温高压,在许多行业中,如化工、电力、钢铁、冶金、石油天然气、建材……多采用它用以监测流量参数。在流量仪表市场中,数量约占60%以上的份额。对于这种量大面广的仪表,国际标准化组织 “封闭管道中流体流量测量委员会”(ISOTC30)极为重视,制定了节流装置流量测量标准ISO5167,并根据使用中的问题不断修改完善。我国的节流装置国家标准(GB/T2624-93),在市场化的思想指导下,与其接轨,也等效采用ISO-5167。国际标准化组织ISOTC30经二年多的讨论酝酿,重新修订了ISO5167,並于2003年3月公布执行ISO-5167新的标准,引起了国内流量人士的关注。
二、ISO5167新标准修改的主要内容:
1、在没有流动调整器条件下,对节流装置(孔板、文丘利管)上游所要求的直管段普遍提出了更长的要求;
2、建议在节流装置上游安装流动调整器,以适当缩短所要求的直管段长度;
3、根据大量数据回归的R/G公式取代原来的sto1z公式;
4、采用新公式来计算孔板的可膨胀系数;
5、修订了关于孔板不同轴度、不平度及上游管内壁粗糙度的限制要求。
以上5条,对使用者来说主要关心的是1、2二条;新标准对直管段长度的补充列于表1:


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表1所列的数据是近年来进行系统实验所得到的结论,是有根据的,它将有助于节流装置更合理地推广应用。从中可看出ISO5167新标准对孔板前直管段长度的要求增大了4~17D,达到了30~70D左右。这个长度在工程实施中存在相当大的难度,甚至是不可能的。在工程设计中,一般仅按工艺条件来安排管道的长度,很少顾及流量仪表前后直管段长度的要求,面对ISO5167新标准,我们该怎么办?
流量仪表在工程中的应用,不外乎以下几种情况:①贸易计量,进行物流的核算,准确度是首要的,如直管段达不到标准要求,直接影响到准确度的下降;②工艺流程的监测;主要了解工艺流程是否正常,可靠性是主要的;③工控系统中的检测环节,作为调节的依据,重复性是主要的。因此,在直管段达不到要求时,孔板(或节流装置),仍可工作只是准确度下降了;用于②、③种情况还可考虑,而第①种情况则难以选用。
三、流动调整器(Flow Conditioner)
在直管段达不到表1的要求长度时,管道中的流速分布不是充分发展紊流,流速分布不对称,有畸变还可能有漩涡、回流
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ISO5167新标准建议采用流动调整器,认为选用后可改善流动情况,无需过长的直管段即可达到新标准的要求。

流动调整器的结构,主要有以下三种类型:①多孔板 在一个平板上多个圆孔,这种结构有助于改善流速分布;但不能清除旋涡;②管束 有助于减小、消除流动中的漩涡。③综合型 将以上二种结合起来,由ISO推荐的Zanker及由ASME推荐的Sprenkle等流动调整器即综合型结构。
所示的三类流动调整器的主要功能,a类可减小漩涡,压损较小,但效果较差;b类,可减少、消除漩涡。并改善中等程序的流速分布畸变,压损较大;C类在消除漩涡及改善流速分布的性能均优于a、b二种类型,压损较大。
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所示的综合型流动调整器;效果均较好,但Zanker及Sprenkle的结构都太复杂,制造成本较高;而R.W.Miller所推荐的Mitsubishi调整器结构较简单,仅在一个厚为0.13D的板上钻35个0.13D的圆孔,效果较好,不太复杂,易于制造,压损中等。
但在直管段长度达不到要求时采用流动调整器,并非万全之计,它在改善了流动情况的同时,又带来了以下弊病:①增加成本。制造一台流量调整器的成本不亚于一台流量计。②增加安装、维修工作量。③易于堵塞。采用流动调整器缘于在直管段达不到ISO5167新标准要求的长度,仍希望维持孔板等节流装置较高准确度的一项技术措施。可事与愿违,由于效果好的流量调整器均易于堵塞,并造成了流动的畸变,它又反过来降低了测量准确度。既有违初衷,又何必劳命伤财,多此一举呢?
要彻底解决问题,只有采用新型节流装置。此时,业内比较关注的是采用内锥式流量计。
四、内锥式流量计()
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上世纪80年代中期,由美国MCCROMETER公司研制、推出了这种新型节流装置,由于内锥具有整流作用,要求前、后直管段长度都很小。特别适用于ISO5167新标准公布后所面临的困境。我国天津、上海、宁夏均有产品推向市场。
1、原理:
内锥式流量计仍是一种通过节流取差压以反映流量大小的节流装置。节流件为一个悬挂在管道中央的锥形体,前锥角约30°,后锥角约150°。高压P1取自锥体前流体未扰动(即未形成节流,流体未加速)的管壁;低压P2取自后锥体中央,并通过内锥支承杆引至管外,其差压△P的平方根与流量成正比。计算与孔板、喷咀等类似,只是需要将环形通道面积折合为孔板内孔面积,计算公式如下:
式①中 为容积流量,C为流出系数, 气体膨胀系数, 为等效 值,d为等效内孔直径,△P输出差压, 为流体密度。
①式中β值由下式决定

②式中dv为内锥横截面处的直径。

①式的d为等效开孔直径,其大小等于BD。


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2、突出的优点
1)锥体整流,缩短直管段。
长期以来,人们都认为变径管(或称异径管)是破坏流场的,无论管径由小变大,或由大变小后都要求基本相同的直管段。其实,收缩管(即管道截面由大变小)将促使流体加速,其效果具有消除漩涡、促进流动层面的相互作用,在一定条件下可以在较短的长度内达到较理想的流速分布。内锥式流量计使流通截面由大变小,其效果相当于一个流动调整器,可以缩短节流装置所必需的直管段长度;至于是否短到厂家所说仅为0~3D,还有待试验证实。
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2)边缘耐磨,改善稳定性。
几十年来,孔板曾被公认为是一种不用实标的准确流量计,常用于物流的计量核算,而它的长期稳定性是值得质疑的。根据节流装置标准的规定,孔板的节流孔边缘厚度e仅为0.005~0.02D;光洁度应为 ▽ 7以上。而在使用过程中,在锐角处流速,流体的冲刷也强烈,使用不久锐边将变大,并产生毛刺不再光滑,流量系数也将随之变化。
而内锥式流量计则不然,在锥体的截面的边缘,由于附面层的保护(见)其表面流速并不高,附面层减缓了冲刷的力度,且边缘是一个钝体而不是锐角,也经得起冲刷。因此,内锥式流量计流量系数可长期稳定不变。
为什么孔板没有附面层保护呢?附面层厚度δ=KLReX,(其中L是特征长度,Re是雷诺数,K,X为系数)孔板的特征长度等于零,无法形成附面层保护。
3)环形通道,适用于脏污流。
各工程中现场中的流体都难以保证洁净,多年来,节流装置中采用多的孔板,由于其下游会形成一个回流区,流体中的脏污物、凝折物等将滞留在这个区域,日积月累,将改变节流比β值,引起流量系数的变化,其次污物还会阻塞测压孔,使孔板难以正常工作。
而内锥式流量的节流部分的环形通道,锥体后未形成滞流区,当流体流过边缘时,因流速高,任何脏污物、凝析物,将被冲走难以滞留。因此它适用于脏污流体,特别是气液、气固、液固二相流体。十多年的使用证明,它已成功地应用于焦炉煤气、高炉煤气、渣油、水煤浆、气液二相流(湿气)……等脏污流体。长期困扰孔板的难题,采用内锥式流量计将迎刃而解。
3、主要技术参数(根据厂家技术资料)
①内锥式流量计标准β值,可按工况,有以下几种:0.45、0.55、0.65、0.75、0.85;
②所要求的直管段上游约0~3D,下游0~1D;
③准确度可达±0.5%;重复性为0.1%;
④采用智能差压变送器;量程比可达15:1以上;
⑤具有自动清除作用,适用流体极为广泛,如气固、液固二相脏污流体均可使用;
⑥压损较孔板小;
⑦压力上限6Mpa,温度上限可达600℃;
⑧未积累足够的实验数据,尚不能像孔板、喷咀一样,无需标定,即可得流量系数;
⑨有待制定标准,促进推广应用。
4、应用范例
在轧钢厂中焦炉煤气是窑炉的主要燃料,由于它将在管道及检测元件上产生积垢,一直困扰着仪表工程师,成为流量测量中的难题。S.S.Oxelosund.(瑞典)推荐SSAB公司将MCCROMETER公司的V-Cone流量计用于轧钢厂窑炉的焦炉煤气流量测量,运行一个月后,该公司仪表工程部的Lekberg先生对于它进行了评估,他说:“我们对它进行了检查,惊奇地发现流量计内部比较干净,而锥体上边没有明显磨损的迹象,对此我们十分满意。”SSAB公司然后将V-cone流量安装在更严酷的条件下进行考核。继续运行3个月后再次检查,Lekberg评价说“经过三个月的试验,虽然是用于严重污染的脏污气体,我认为V-come流量计的性能比我们予计的要好得多,锥体表面没有积垢,也没有磨损。”
这是一个成功的范例,具体应用参数摘要附后:
·产品序号90206Y1 ·管道内径 154.38mm
·被测流体SSAB公司焦炉煤气 ·锥体直径 138.33mm
·比重0.44(60℉) ·β值 0.444
·粘度120×10-2CP(厘泊) ·流量系数 0.865
·温度t=35~60℃ ·差压 111.12毫米水柱
·压力p=0.1bar(表压) ·量程比 9:1
·流量Q=80~743Nm3/h
五、点滴絮语
1、直管段长度:内锥式流量计问世已十多年,鲜为人知。近二年由于提出了ISO5167新标准,加长了孔板等节流装置所需的直管长度,使孔板难以使用,在不少会议、媒体上出现了一股“内锥热”,认为其所需直管段前为0~3D;后为0~1D,几乎可有可无。内锥的整流作用真的能神奇到这个地步?据了解不少阻力件(如双弯头)后漩涡区的消失就不止1D。
2、量程比:内锥式流量计是一个差压式流量计,这类仪表其流量与输出差压的平方根成正比。而不少技术资料宣传它的量程比可达15:1。一般的差压变速器量程比应为10:1,因此差压式流量计的量程比就只能是3:1。当然,如采用智能差压变送器,则流量的量程比是可以达到15:1,甚至更高的,但这个优点怎能算在内锥式流量计上呢!
3、流动调整器:在制定节流装置标准中,国际标准化组织ISOTC3O多次建议采用流动调器,由于现场的恶劣条件,流体欠洁净,将会带来不少问题,难以达到预期效果。但在流量试验室倒不妨采用,不少试验室由于场地的限制,直管段长度(特别是大口径管道)都未达到要求,没有形成充分发展紊流,所标定的流量系数欠准确。而试验室流体洁净,不易堵塞,便于维护,采用流动调整器,可以在有限的场地达到理想的流速分布,使所标定的流量系数更为准确、可靠。
4、标准化:孔板长期公认为是无需标定而又准确的流量计,为此制定了国际标准(5167)国家标准(GB-2624),因此常用于物流计量及贸易核算中,ISO5167的新标准提出的直管段长度使孔板的应用陷入困境,不少建议采用内锥式流量计取代孔板,举出了不少优点,前景诱人。但由于还缺乏足够的试验数据,无论国际还是国内还未制定相应的标准。用于物流贸易核算,目前还缺乏计量法 依据。
5、需理性、勿过热:由于影响因素较多,流量仪表的原理类型之多一向处自动化仪表之冠,各自特点在一定领域(或条件下)发挥作用,某一仪表一统天下的局面,短期还难以形成。在市场竞争中,厂商的过热宣传是可理解的,而工程、学术界的宣传就应实事求是不宜过热。况且内锥式流量计在支持结构、取压点位置、压损等方面还不是那么尽善尽美,有待人们在实用中不断改进与完善。


  

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