環形通道節流裝置的應用與發展

一 前言
節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，建立了數以萬計的數據庫，使其成為當前唯一的無需通過實流標定而可確定流量系數的流量計，常被用戶作為首選儀表。在近半個世紀的時間里，它的市場占用率達到了70%左右。國際標準化組織對這種儀表也極為重視，從1967年開始，相繼公布了相應的標準，R541、R781，1987年又將其合并為ISO5167。隨后各國工程技術人員不斷對其在應用條件下進行實驗，積累了大量數據，在此基礎上，國際標準化組織于2003年又對ISO5167進行了修訂，新標準對經典式節流裝置的應用提出了更為嚴格的條件，特別是不同程度地加長了前直管段長度，使其應用面臨一些困難。上世紀八十年代后，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，使孔板這種經典式的節流裝置市場占有率有所下降。而在已建工程中，它的安裝臺數仍十分龐大，也積累了豐富的使用經驗，許多一線的工程技術人員還是習慣選用它，如何改進、用好這類儀表就成為一個方興未艾，較為活躍的研究領域。
二 非標準節流裝置
在許多工業部門中，如火電的鍋爐、天然氣、石油的開采與輸送，冶金、鋼鐵中產生的煤氣，礦業開采中的選礦，以及采用液體或氣體作為載體輸送固體原料、產品……，這些流體多不“潔凈”，而呈現雙相或多相狀態，如采用經典節流裝置如孔板(圖1)，在運行中產生不少問題。由于孔板前后將產生2個滯流區，固相介質將滯留、堆積在這個區域中，日積月累，將縮小孔板中心的通道，引起較大的誤差，嚴重時甚至無法正常工作。鑒于上述情況，早于上世紀五十年代，研制、推出了不少非標準節流裝置，如偏心孔板、圓缺孔板、楔形流量計等(圖2)。其共同的特點是迫使流動偏離中心，從管道下方流過，使較重的固態介質難以滯留，造成非對稱的流動，從流動的效果來看與阻力件無異，使用中并不理想。
而環形孔板是其中較為典型效果較好的一種非標準節流裝置。它早于1939年由美國學者Howell提出并進行了一些測試，并在上世紀六十年代由英國NEL再次進行了大量試驗，推出了產品，開始應用于現場。而我國應用它是近十年的事。環形孔板(圖3)的結構是在管道中同心地固定了一個圓板，而流體則從管道邊緣的環形通道流過。它既未破壞流動的對稱性，又使管道中不同比重的物質各行其道，比重大的物質從管道底部疏泄，比重輕的物質如氣體、蒸汽從管道上部通過。實用表明，環形通道對上游直管段長度的要求，沒有經典及非標準節流裝置那樣苛刻，這也是它的一個突出優點。不足的是，與經典節流裝置比較，缺乏足夠的試驗數據，難以標準化，特別是在當量βT值接近0.9時，流量系數的變化較大，每臺儀表都必須通過標定才能出廠。另外，其壓損也較大。
三 內錐式流量計
上世紀80年代中期，也許是受環形孔板的啟發，環形通道可以改善流場，無需過長的直管段，美國MCCROMETER公司推出了內錐式(V-cone)流量計(圖4)。這種流量計的節流件是一個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流加速的管壁；低壓P2則取自后錐體中央，并通過內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。計算公式與孔板類似，只需將環形通道的面積折合為孔板中心通道的面積、用當量β值進行計算。
實驗表明，內錐形成了環形通道，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，它對前直管段的要求不僅比經典式節流裝置小得多，也比環形孔板小一些。
2003年3月國際標準化組織根據近年來對孔板進行的一系列試驗及應用情況，修改了ISO05167(1991)，新標準ISO5167(2003)的多項修改中，對使用者而言密切有關的是進一步要求增長前直管段，一般將原來30D增長到了44D；這個要求在實際現場很難滿足。新標準也建議可采用流動調整器(Flow Conditioners)以減小直管段長度，這樣做又會增加成本及維護工作量，并非上策。在這種形勢下，對直管段無苛求且可測臟污流體的環形通道節流裝置應運而生，加上媒體、會議的大力宣傳，近二年在我國形成了一股“內錐熱”，在我國絕大多數的節流裝置生產廠都紛紛生產、推出這種新產品，它較孔板確有不少優點。
內錐式生產廠商宣稱這種流量計的精確度優于±0.5%，重復性優于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15∶1，可測臟污流體……等。以上這些技術參數不少值得商榷，例如：
(1) 直管段  在阻力件(彎頭、閘閥、歧管、變徑管……)后，會產生漩渦及二次流，完全消失經測試需5～7D，內錐體雖有整流作用，但當流體還未到達內錐，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）可達到均直流場，更是令人難以置信。
(2) 結構  內錐體由一根支桿懸掛在管道中央，這種單臂懸掛從力學角度看不太穩定，易產生振動。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稱性。
(3) 取壓點。內錐式仍通過測差壓推算流量。它的高壓取自內錐前管壁，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，是一個強烈的漩渦區，壓力波動幅度較大，在這二處取差壓推算流量未必合理。
(4) 準確度  鑒于上述原因，準確度就難以達到(廠家甚至說優于)±0.5%，當然在試驗室標定由于流場較為理想有可能得到較高的重復性，(這里強調是重復性不是準確度，準確度還應包括標定裝置的不確定度)，而實際應用的現場在無法保證試驗室的流場條件時，也就無法保證所標定的準確度。
(5) 不可恢復壓損  在內錐后由于流通截面突然擴大，會產生強烈的漩渦。眾所周知，它的產生、消失是一個不可逆的非等熵過程，會有較大的壓力損失。(這也正是不少阻力件壓損大的原因)，內錐式流量計并非壓損小的節能產品。
(6) 量程比  廠商說量程比達到15∶1是可能的，而前提是必需采用智能式差壓變送器。內錐式與孔板一樣，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到15∶1，量程比大并非內錐式本身的優勢。
四 梭式流量計
梭式流量計是經我國專利局審定，于2005年10月19日公布、授權，具有獨立知識產權的專利產品(專利號2L200420061026.9)，也是一種環形通道節流裝置。
它的主要結構及原理如圖5所示：梭形節流件用三個剖面為翼形的支桿固定在管道中。當前直管道較長(L>7D)時，由于環形通道的整流作用，管內流速分布較好，近于充分發展紊流，總壓僅取一點，位于前錐體的中央，此處流體的動能全部轉化為位能，應是流體的最高壓力。而靜壓(低壓)則取自環形通道最窄處的管壁上，位于二個支桿之間，相距約60°；當直管較短(L<5D)時，考慮管道中實際流速分布雖經梭體整流未必均衡、對稱。因此，總壓取自三翼形支桿上，每個支桿取3～4點，在整個環形通道上均勻分布了9～12點，這樣在直管很短對，也能充分反映環形通道的流速分布。
梭式流量計的尾部可使加速的流體在擴張的通道中，不分離的條件下，減速增壓，動能逐步、充分地轉化為位能，使不可恢復壓損降至最小，因而是節能產品。
在直管道較短時，管內流體流向并不平行于軸線，所測總壓未必為真實。梭式流量計在每個總壓孔上嵌入了一種導流嘴，這種導流嘴早于1986年實驗表明，在流向偏離±30°情況，均能充分反映真實的總壓值的效果。
整個梭體只起整流、導向作用，梭體可通過小孔溝通內外的壓力，無論管道中流體有多高的壓力，均與梭體無關。流量計的外殼（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
近二年由于ISO5167新標準的公布，再加上在工業現場中日益增多二相流的測量問題，環形通道流量計應運而生，有了很大的發展，優劣與否有待實踐證明、用戶認可。由于影響流量儀表應用的因素較多。每一種產品都只能在某一領域中各盡所能、發揮作用。尚沒有一種可取代一切其流量儀表，宣傳、推銷都應實事求是、留有余地。

感謝分享，學習了。