均速管流量计--简便、价廉、节能的流量仪表

作者：四川自控工程委员会 毛新业

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 在20种常用流量仪表中，均速管流量计的排序处于8~9位；我国西气东输的世纪工程中，在干线内径为一米的管道上，选用了50台Emerson的均速管流量计，占总量96台的52%。本文就近年来业内人士对均速管较为关注的几个问题提出以下看法，供大家参考。 前言 自上世纪60年代末均速管流量计问世以来，虽不断改进（国外称Annubar、Verabar、Probar 、Torbar、Itabar、Preso、Deltabar、Averaging Potit-tube等），名称各异，但都是基于皮托管测速原理，以测管道中直径（圆管）或长与宽（矩形管）上几点的流速来推算流量的一种插入式流量仪表。因其结构简单，装、拆方便，价格低廉及节能等优点，在无需准确计量进行贸易核算，仅作为工况监控，特别是大于200毫米的口径情况下，在电力、冶金、石化等行业中，常做为首选仪表。 CONTROL ENGINEERING与Reed Research 集团联合对近两年全球流量仪表市场的调查表明：在20种常用流量仪表中，均速管流量计的排序处于8~9位；我国西气东输的世纪工程中，在干线内径为一米的管道上，选用了50台Emerson的均速管流量计，占总量96台的52%；此外，美国的Verabar均速管流量计在国内电力、冶金、石化等行业中，销售业绩斐然，令人瞩目。而国产均速管在大陆市场中几乎无立足之地，究其原因，无论是Emerson，还是Verabar公司，近20年都十分重视产品在现场应用的情况，不遗余力推陈出新，不断改进；而国内厂家，产品开发乏力，一味仿制，几乎还生产、销售国外10多年前已淘汰的产品，这些情况令人深思。本文就近年来业内人士对均速管较为关注的几个问题提出以下看法，供大家参考。 热点之一 ——检测杆的截面形状 这是均速管发展过程最热的话题。近30年来，不断变化、创新，较典型的有以下几种： 1、 圆形 最早的均速管检测杆为圆截面；迎流向有多个总压孔，背流向为低压孔；中间用板隔开，后认为均速管既处于位流，整个截面静压应相等，改为仅在检测杆中央背流向一侧钻一个背压孔，用细管将背压传至差压变送器低压端，取消了隔板，简化了结构。 2、 菱形-Ⅰ 上世纪70年代末期，圆截面使用多年后，发现在雷诺数处于105~106之间时，流体在圆管上分离点将从78u移至130u，即所谓“阻力危机”现象，改变了圆截面上的压力分布，引起约±10%的流量误差，逐由菱形代替。菱形两侧为锐角，分离点确定，排除了阻力危机。其他结构不变。 3、 菱形-Ⅱ 菱形-Ⅰ使用7、8年后，又发现背压孔的传压细管，由于内径仅3毫米，易堵塞。美国Dieterich公司又推出了由3个腔体所组成的检测杆截面，总压孔由两对改为3到4对，背压孔与总压孔一一对应，取消了总背压引出管，这种结构即或有一二个背压孔被堵，也不会影响均速管的正常工作。 4、 翼形 近20年来，不断有人从减少均速管阻力角度出发，推出了各种阻力较小的检测杆形状，如对称翼型、扁圆形、椭圆形（Preso）等。其实均速管的永久压损仅几十帕，可忽略不计，不必小题大做。而这类截面形状低压多取自两侧，却带来输出差压过低的弊病，扬短避长，得不偿失。但也有特殊情况，Emerson公司就采用这种翼形剖面结构测蒸汽，由于蒸汽流速较高、密度较大，有可能获得较大的差压，的确需要减小阻力，以增加强度，但仅限于一个型号，用于特殊场合。 5、 弹头形 美国Verabar公司推出，在弹头前端表面做了粗糙处理，（粗糙度X/KS约为200），宣称这样可以控制附面层的厚度，以此提高测量精确度。实际估算附面层对准确度的影响是可忽略不计的。弹头型的低压取自两侧，输出差压较菱形、圆形及T形小20% ~30%，不利于气体低流速情况下选用。 6、 T形 这是Emerson公司近两年推出的新结构（该公司称485型Annubar）。在T形检测杆上迎流向有两排总压孔，背流向漩涡区有两排背压孔。Emerson公司宣称，由于其创新的槽口设计，精确度将会有所提高；而背压处于T形漩涡区，较菱形、圆形可增大约20%输出差压。背部采取多个低压孔。这种结构总压、背压孔均不到2毫米，易堵塞，只能用于洁净流体。 7、 Delta 德尔塔巴（Deltaflow）均速管，由德国思科公司（Systec Co）推出。在MICONEX 2004展会上宣称有许多优点，而从截面形状及结构上与菱形-Ⅱ相比并无本质区别。它仍是一种插入式流量仪表，无法摆脱只测管道中直径上几点流速来推算流量的基本模式。厂家宣传其直管段仅3~7D，而精确度可达±0.6%，缺乏说服力，令人难以置信。但其材料的选用却有看点，一般均速管材料多使用316不锈钢；而Deltaflow选用的是1.4528或哈氏合金钢，耐温低至-200℃，高可达1000℃以上，且可适用于各种腐蚀性介质。 热点之二——检测孔的数量与位置 均速管是一种插入式、具有取样性质的流量计。早期曾有在均速管直径方向测十余点总压，但测点再多也只能反映某一直径上的流速分布，而不是整个截面。 取样具有实际意义的前提是均速管前具有20~30D（D为管内径）的直管段，这时管内的流动为充分发展管流，流速分布的等速线为对称于轴的同心圆，即处于相同径向的流速是相等的，只有这样，仅测直径上几点流速才可能反映整个截面的情况。而究竟测直径上哪几点的流速众说纷纭，大致有以下5种（见表1）。 表1中所依据的流速分布，按尼库拉兹（Nikuradse）所提出的充分发展紊流数学模型。上世纪90年代初，对管流的研究表明尼库拉兹公式虽简单，但所描述的充分发展紊流在靠管壁及管道中心两处均与实际情况有较大差异（特别是在管壁附近），所以应增加到3对总压孔，而目前在较大管径时也有用4对的。其分布按对数—契比雪夫法（见表2），并已为ISO TC30所确认： 对于低压孔的位置与数量，由于均速管处于位流，在横截面上无横向流动，各点静压相等，因而取一点及多点均可，不涉及精确度问题，只是取多点不易堵塞，而取自检测杆背部将比取自两侧可获得更大的差压。 长期以来，人们都认为：各总压孔所测总压反映了管道中的流速分布，由于流速不等，所测总压也不相等，这些总压在均速管高压腔中“平均”后输出的压力，就是管道中平均流速的总压。实际并非如此，由于各点总压不等，在高压腔中会有流动，甚至在孔的边缘还会有涡流，这都将产生压损。1975年，William.H.等人曾对此进行了测试、研究，也提出了一个经验公式，但这个经验公式中还存在一些系数有待实验去确定，无法直接算出平均流速差压值。因此，迄今为止，无论采用哪些方法来确定总压孔的位置与数量，均速管最终还是需通过实验标定来确定流量系数K。由于随着流量的变化（即Re的变化）时，流速分布在靠近管壁处的变化将比管道中心大，对数—契比雪夫的总压分布，在靠近管壁处要多一个测点，以适应这种变化，也更为合理。 易忽视的热点——管道 30多年来，厂商对以上两个问题都不遗余力，进行了大量的创新。但就均速管本身而言，仅是一个多点流速计，它只有插入管道中才能测流量，才可称为流量计。况且，管道对均速管的流量测量的影响举足轻重，不可忽视，主要表现在以下两个方面： 1、 直管段长度 均速管前直管道长度必须达到20~30D，以保证流速分布为充分发展紊流，只有这样，仅测几点的流速才可能推算流经整个截面的流量。否则，管道中的流动将如图3所示，比较复杂（在其他阻力件后，情况也类似），流速分布不仅不对称于轴线，还会有横向流动（二次流）及漩涡，仅测直径上几点流速能说明什么问题？又如何保证测量的准确度？ 2、 管道内径 均速管只能测流速，要测流量必须乘管道截面（圆管要测内径，矩形管需测宽与高）。而它又是一种插入式仪表，实际应用中，往往很难或并不认真测内径。 ISO7145就认为，在无法测内径时，允许用软尺测管道外径的周长、估计壁厚来确定内径，这样做当然更无法确认管道内壁的腐蚀、积垢等情况的影响。如此确定的管内径，怎么能保证准确，而从下面分析可看出管内径的准确与否，将成为影响均速管流量测量准确度举足轻重的因素。 流量准确度的估算 如仅考虑主要因素，均速管计算公式可简化为： ①式中QV为容积流量；C取决于各参数单位的系数；D为管道内径；DP为输出差压；x为流体密度。由①式推导的流量不确定度为 从上所述，制造厂对均速管检测杆的形状、测点位置，做了不懈的努力，它们只会影响输出差压Dp的大小，而从②式中可知管内径D的相对误差sD/D对流量精确度的影响将数倍于差压Dp的误差sDp/Dp。 此外，公式①中的流量系数K即使厂商逐台标定，也是在实验室的特定条件下得到的，而现场往往达不到试验室的流场条件，这时采用厂商提供的流量系数K，也将带来较大的误差。早在20年前，W.Rahmeyer和C.L.Britton在阻力件（弯头、闸伐……）后2至12D处安装均速管进行了系统的实验测试。测试表明，在直管段不到4～5D时，流量系数的偏差将达到±8%以上。 上述分析进一步说明了，管道（包含内径D及直管段长度L）是影响均速管流量测量准确度的主要因素！ 在工控系统中的位置 现场中直管段长度取决于工艺要求，很难为照顾流量仪表来安排20D以上的直管段，而没有足够长的直管段，均速管就必须面对误差可能达到±8%的严酷事实！均速管在工控系统中还有无立足之地？ 均速管在工控系统中只是一个提供信息源的检测环节，它的输出所反映的流量信息，应正确无误地反映流量的变化，而不一定是确切值，在这里重复性的重要性往往大于准确度。例如，在锅炉的燃烧调节控制系统中，应测空气流量，并以此调节、控制燃料的大小，以保证最佳的燃烧效率。这里只要均速管的输出与流量存在确定的单值函数关系，且不随意变化，即重复性较好就可以了。至于空气量的确切值是多少（准确度）并非系统所关心的问题。也就是说，只要不涉及物流的结算（贸易、经济评估等），准确度就是非主要考虑的问题。 30多年来对均速管的研究表明，在直管段达不到要求情况下，其误差可达到±8%以上，但重复性往往可做到0.5%。只要使用目的不是贸易结算（如天然气的计量），而是用于工控系统的调节、监控，均速管就以其结构简单等优点，特别是大口径情况常做为首选仪表，而大有用武之地。 发展、创新面临的问题 均速管问世30余年来，以其结构简单等优点在流量家族中占有一席之地。但正所谓“福兮祸所伏；祸兮福所倚”，这些优点却不可避免地为它带来了以下3个缺点： 1、准确度较低 多年来，均速管发展的型号近20种之多，由于是插入形式，只能通过检测杆来反映流速，无论在上面取了多少个测点，也只能反映管道截面上直径（或宽、高）上的流速分布，在直管道达不到要求时，这些点失去代表意义，准确度难以优于±3%。 2、输出差压小 均速管是根据皮托管测速原理，通过测总静压来推算流量，常用于大口径测气体情况，这时输出差压仅几十帕（几毫米水柱）。这是它的原理与结构所决定的，研制厂家多年来虽不遗余力在检测杆上大做文章，但收获有限，最新推出的T形结构，即使按厂商所说提高了20%输出差压，从实用角度来看所提高的输出差压也无济于事。 3、易于堵塞 由于必须通过检测孔来测流量，只要流体中有粉尘、固体颗粒、凝析物等，堵塞就难以避免。虽易于拆装，甚至可不断流进行检修，终不是好事，为用户难以接受。 均速管的研制者30余年来针对以上存在的问题不懈努力，做了不少改进，但如不跳出旧的模式，就难取得突破性的进展，似已山穷水尽疑无路了。但如果打开思路，与其他某种仪表取长补短，是否能柳暗花明又一春？笔者为此做了尝试，于1986年取得一项专利（CN852045298）确有些效果，但不明显，最近在此基础上又做了改进，正申报专利，以期对均速管的推广应用尽微薄之力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/18/2005)