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值得推薦的節(jié)能儀表——均速管流量計

來源:上海元宙流體技術   2008年09月17日 20:39  
均速管流量計(國外稱Annubar、Torbar、Probar、verabar、itabar……等),問世已三十余年,名稱不同,截面各異,但都是基于皮托管測速原理,以測管道中直線上幾點流速來推算流量的一種插入式流量儀表。它具有結構簡單,價格低廉,裝、拆方便,壓損小等特點。從耗材少、運行費用低二方面來看都是一種節(jié)能儀表,在當前大力倡導建設節(jié)約型經濟情況下,是一種值得推薦的流量儀表。
一、基本原理(圖一)
流量Q是單位時間s通過管道中某一截面A的流體體積m3(或質量kg),即Q= m3/s=m2·m/s=A·V
因此,流量也可變換為管道截面A與流速V的乘積。但工業(yè)管道中的流速通常不是常數(shù),只有將截面劃分為許多單元面積Ai,乘以通過Ai的流速Vi,即流量Q=,但這種方法過于繁瑣。幸好無論管道中流速分布多么復雜,在較長的直管段(一般應為30倍直徑)后,在流體的粘性作用下,管內的流速分布將呈現(xiàn)對稱于圓心的充分發(fā)展紊流。在這種情況,只需測直徑方向上幾點的流速,就可以準確地推算流量值。
采用皮托管測速原理,通過測流體的總靜壓,運用柏努利方程就可測量流體的流速值。均速管沿管道直徑方向插入管道,迎流向有數(shù)對總壓孔,由于流速不等,所測總壓也不相等,在高壓腔內平均后,通過高壓閥接入變送器高壓端;背流向一側有數(shù)對背壓孔,所測背壓(如處于位流各背壓值應基本相等)在低壓腔平均后,通過低壓閥接至變速器低壓端,如忽略一些影響不大的因素,均速管的流量計算公式可表示為式①中:Q為流量(m3/h);C為系數(shù)取決于各參數(shù)的單位;
D為管道內徑(m);ΔP平均后的高低壓之差(Pa);
ζ流體密度(kg/m3)。
二、主要特點
1、結構簡單、重量輕巧,總共僅10多個零件。
2、適應范圍寬闊??蛇m用于多種流體(氣、液、蒸汽);口徑自25毫米至9米,壓力上限可達40mPa;溫度上限1000℃。
3、節(jié)能顯著。不可恢復壓損僅為孔板的幾十分之一,年運行費用為孔板的1/40~1/50。
4、安裝簡便。僅需在管道上鉆一個約40毫米圓孔,焊上安裝座即可,不斷流型可在低壓情況下,不中斷流程進行裝、拆。
5、長期穩(wěn)定性好。無可動部件。準確度不受粘污、腐蝕等的影響。在可保證直管段長度情況下可達±1%;在直管段長度達不到要求時,重復性也可達到0.2%,適用于工控系統(tǒng)。
6、準確度。在直管段長度無法滿足時,由于具有取樣性質,準確度難以高于±2%~3%,不宜作為計量儀表,特別是貿易核算情況。
7、防堵性。早期均速管,僅通過一細管取背壓,易于堵塞,要求流體潔凈度較高,新型均速管背壓采用多點,且空腔較大,可改善易堵塞情況。
三、目前常用的幾種均速管
均速管在上世紀60年代末期推向市場,zui早檢測桿截面為圓形,后發(fā)現(xiàn)流體在雷諾數(shù)Re<105時,在圓截面上分離點為78°;而Re>106時,分離點將轉為130°,當Re處于105~106之間時,分離點不確定,因而使流量系數(shù)有近±10%的偏差。在70年代末期,國內外逐漸推出了分離點確定的菱形截面檢測桿(國外稱鉆石Diamond)以取代圓截面。目前常用的有以下幾種:
1、菱形—Ⅰ型(圖2a),由美國DSI公司1978年推出。由于均速管一般使用在位流中,即管道橫截面上沒有橫向流動,背壓應相等,可僅取一點背壓,用一根內徑約3毫米的細管引至變送器,但現(xiàn)場流體大多不夠潔凈,常有堵塞故障發(fā)生。目前國內仍有廠家生產,國外早已棄而不用。
2、托巴管(圖2b),由英國托巴(TFL)流量計公司1985年推出。在圓形檢測桿上銑一個六角形,迫使流體在六角處分離。它與菱形—Ⅰ型沒有本質的區(qū)別。至于說到其內部有“*”的二次平均結構,就是菱形—Ⅰ型早期采用過的總壓引出管,實踐證明,不僅沒有什么優(yōu)異的性能,反而增大易于堵塞的弊病,這種結構早被國內外生產廠商所淘汰。國內某廠也推一種托巴管,其實就是在每個總壓檢測孔上焊一個彈頭,檢測桿仍為圓形。它既沒有彈頭型控制附面層的優(yōu)點;又保留了圓截面分離點不確定的缺點。匠心何在?難以理解!
3、菱型—Ⅱ型
總壓、背壓檢測孔均采用2~4對,在高、低壓腔中平均后,分別引至差壓變送器高低壓端。美國DSI公司1984年推出的Probar均速管(圖2c-1),它由三個型材(一個菱形、二個三角形)組合成檢測桿。而德國intra-automation公司于上世紀90年代推出了一體化結構(圖2C—2),稱為Itabar均速管,檢測桿內用隔板分為高低二個壓力腔,強度好且不易泄漏,如采用高強度耐熱鋼,耐壓可達40mPa,耐溫可達1000℃。Probar及Itabar的檢測桿都采取了復合結構,可將溫度變送器插入檢測桿組成一體化智能質量流量計。
4、彈頭型(圖2D)
1992年由美國Veris公司推出,稱為Verabar(威力巴)。
Verabar在其彈頭前端表面做了粗糙處理(x/Ks≈200),認為這樣處理后可保證形成紊流附面層,提高測量準確度。附面層由層流轉變?yōu)槲闪麟m會影響準確度,但這種影響相對其他因素來說是微不足道的,而彈頭形及靜壓點的位置,卻使其輸出差壓相對其他類型均速管偏低不少,影響了它在低密度、低流速情況下的選用。
5、T型(圖2E)
2001年由美國DSI公司推出T型結構正對流向,有二排密集的總壓檢測孔(直徑約2mm)或取壓槽,背流向一測采用了二排背壓孔。認為這樣的設計可獲得“更多”的速度分布,有利于提高準確度。其實總壓孔即或是密集到變成了槽口,也只能測管道中某一直徑方向的流速。而在直管道不夠長,直徑方向上的流速分布不足以反映整個截面時,這種設計毫無意義。用槽口代替總壓孔,在幾十年前就出現(xiàn)過,并未推行說明沒有實用價值。其次,采用較小的總壓孔(或槽)卻易于堵塞,事實上并非如廠商所說T形檢測桿正前方形成了高壓區(qū),粉塵不易進入。如真是這樣,汽車擋風玻璃板上還有必要用雨刷嗎?
四、定位——適用于檢測、監(jiān)控系統(tǒng)
均速管優(yōu)點不少,如節(jié)能、結構簡單、安裝方便……,但正所謂“福兮禍所伏,禍兮福所倚”,這些優(yōu)點也不可避免地會帶來一些不足之處,如準確度不夠高,易堵塞等。如前所述,均速管是一種插入式,具有取樣性質的儀表,在直管段不能達到要求時,無論采用什么形式的檢測桿都難以達到廠商所宣傳的±1%度,而重復性卻可優(yōu)于0.5%。
20多年前,W·Rahmeyer等人已進行了驗證。他們將均速管安裝在阻力件(閥門、彎頭……)后2~12D,即在非充分發(fā)展紊流條件下進行了系統(tǒng)的試驗。試驗表明,在直管段小于4~5D時,流量系數(shù)的偏差可達到±8%以上,而重復性卻可優(yōu)于1%。說明對于均速管這種取樣性質的儀表,直管段長度對其準確度的影響至關重要,而對重復性的影響卻微不足道!
在實際應用中,由于均速管特別適用于大管道,一般情況都難以保證足夠長的直管段,即無法具有較高的準確度,均速管在流程工業(yè)中還有無立足之地?儀表一般有以下三種用途:
① 用于貿易、經濟核算的計量,準確度應放在*。
② 用于工控系統(tǒng)作為信號源頭的檢測,重復性是主要的。
③ 用于監(jiān)控工藝流程是否正常工作,可靠性是優(yōu)先考慮的。
例如:對于一個鍋爐的燃燒系統(tǒng),必需測空氣流量來調控燃料量,以保證*的空氣燃料比。這時如用均速管測空氣,只要它的輸出能反映空氣的變化,二者呈一一對應的單值函數(shù)關系,不隨意變化,即重復性好就可以了。至于空氣的量,人們無需知道。其次,均速管也適用于監(jiān)控工藝流程是否正常,如我國西氣東輸1米直徑的干線,并不涉及計量收費問題,所用的96支干線流量計,就采用了50支均速管(占52%)。
在大口徑的流量檢測、監(jiān)控系統(tǒng)中,均速管以其顯著的節(jié)能效果,優(yōu)異的性價比,常作為儀表。
五、小結——揚長避短,各取所需
流量儀表由于影響因素較多,相應的品種也十分多,當前還沒有一種流量儀表可取代其他儀表而一統(tǒng)天下,對于每一種儀表來說都只能揚長避短,在己之長的領域中發(fā)揮作用。業(yè)界專家zui近指出,由于準確度不夠,均速管不宜作為計量、貿易結算的儀表,并建議:①將國內外均速管檢測件選用一種作為標準形式;②建立流量系數(shù)數(shù)據庫;③對現(xiàn)場安裝條件進行試驗研究。這些建議看來誘人,但實施卻有難度,它由誰組織?由誰埋單?
近年來,有些流量儀表發(fā)展很快,據“Flow·Research”報告分析,近五年超聲及哥氏流量計年銷售增長率分別為10.4%及 6.9%。這二種儀表準確度都可達到±0.5%以上,*可以勝任計量、貿易結算。均速管的研究、生產廠商應克服“家有弊帚,享之千金”的心態(tài),莫將這種插入式儀表一定要用于計量、貿易結算領域,能不斷總結應用中的問題,勇于創(chuàng)新,能在檢測、監(jiān)控領域中充分用好均速管,就是很大的貢獻。

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