對(duì)V形錐流量計(jì)的再認(rèn)識(shí)

沈新建 翟小金 王高甫 張彥敏 邵朋誠(chéng)

(開封儀表有限公司1，河南 開封 475002;開封空分集團(tuán)中環(huán)環(huán)保公司2，河南 開封 475002)

0 引言

V形錐流量計(jì)(又稱內(nèi)錐流量計(jì)、V錐流量計(jì)等)是美國(guó)McCROMETER公司于20世紀(jì)80年代研制推向市場(chǎng)的。由于V形錐流量計(jì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，決定了其具有優(yōu)于孔板流量計(jì)的一些特點(diǎn)［1］，如壓力損失較小、安裝所需的前后直管段長(zhǎng)度較短、測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定等［2］。但是由于V形錐流量計(jì)屬于非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，生產(chǎn)廠家的結(jié)構(gòu)各不相同，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不夠充分，它的性能尚未被完全掌握。作者結(jié)合工作中積累的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)，對(duì)V形錐流量計(jì)的一些特點(diǎn)進(jìn)行了分析，認(rèn)為無(wú)論是使用單位，還是生產(chǎn)單位都應(yīng)對(duì)V形錐流量計(jì)有一個(gè)理性認(rèn)識(shí)。

1 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(如孔板、噴嘴等)的最小流通面是節(jié)流件中心的圓孔，流體通過(guò)時(shí)因流通面積的突然減小而加速，V形錐流量計(jì)是在管道中心同軸安裝一個(gè)尖圓錐體(前錐體為＜90°的銳角，后錐體為＞90°的鈍角)。其流通方式由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的中心突然收縮式改為管壁收縮式，流體通過(guò)V形錐節(jié)流件時(shí)，進(jìn)行了二次分配。流體的流動(dòng)狀態(tài)由原來(lái)的“管道中心流速高、管壁處流速低”逐漸調(diào)整為“靠近管壁處流速高、中間流速低”，從而具備流動(dòng)調(diào)整器的效果。

V形錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 V形錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified diagram of the structure of V-cone flowmeter

由圖1可知，V形錐流量計(jì)為“邊壁收縮式”節(jié)流裝置，正壓取壓孔開在測(cè)量管壁上，此處的流體還未通過(guò)節(jié)流件，負(fù)壓取壓孔開在錐體尾部。由于測(cè)量原理同樣滿足伯努利方程和流體流動(dòng)連續(xù)性方程，所以V形錐流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算公式一樣。其計(jì)算公式如下［3］:式中:qm為流體的質(zhì)量流量，kg/h;C為流出系數(shù)(經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定可知);ε為可膨脹性系數(shù)(對(duì)液體ε=1);β=db/D為直徑比，其中為工作條件下節(jié)流件最小截面處的等效流通直徑(d為錐體外徑，外徑)，mm;D為工作條件下儀表測(cè)量管的內(nèi)徑，mm;ΔР為從節(jié)流件上、下游取壓口處測(cè)取的差壓，kPa;ρ1為儀表安裝處上游側(cè)工作條件下的流體密度，kg/m3。

2 對(duì)V形錐流量計(jì)特點(diǎn)的分析

V形錐流量計(jì)具有調(diào)整流動(dòng)狀態(tài)的功能，其壓力損失小于孔板(試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn))，測(cè)量信號(hào)比較穩(wěn)定，量程比較寬，安裝所需的前后直管段較短。但通過(guò)近些年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，對(duì)V形錐流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)的介紹有些言過(guò)其實(shí)，我們應(yīng)對(duì)這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行理性分析。

2.1 安裝所需的前后直管段長(zhǎng)度

V形錐流量計(jì)的節(jié)流件為錐形結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體通過(guò)節(jié)流件時(shí)，節(jié)流件與管壁所形成的環(huán)形通道面積逐漸減小，使流體流速加大、靜壓力降低。流體力學(xué)試驗(yàn)證明這種流型可以減小甚至消除漩渦，相當(dāng)于附加了一個(gè)流動(dòng)調(diào)整器。因此，它可以在直管段不夠長(zhǎng)的情況下，較其他節(jié)流裝置獲得較高的準(zhǔn)確度，但所需的前后直管段仍要視具體情況而定，且普遍超過(guò)“以偏概全”宣稱的前0～3D、后0～1D。

印度德里工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)系學(xué)者曾以兩臺(tái)內(nèi)徑D=52 mm、等效直徑比 β分別為0.643和0.77的 V形錐流量計(jì)為例，對(duì)該儀表與上游擾動(dòng)閘閥V2間相隔3種距離(L為5D、10D、15D)和閥門4種開度下的擾流進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為油和水，流體來(lái)自離地15 m的溢流水槽。試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 The experimental device

通過(guò)試驗(yàn)可知，當(dāng) β=0.643、L=5D、閥開度在25%附近變化時(shí)，受閘閥影響，流出系數(shù)最大，變化約為6%;而當(dāng) β=0.77、L=5D、閥開度大于 25%時(shí)，流出系數(shù)變化高達(dá)8%;當(dāng)L=10D時(shí)，流出系數(shù)最大變化也約有1.7%［4］。所以這一試驗(yàn)論證了前置閘閥開度大于25%時(shí)，各種開度下當(dāng)要求較高測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)，L=10D尚嫌不足，而不是各種情況下前后直管段均為前0～3D、后0～1D。

由此可知，儀表前有10D以上長(zhǎng)的直管段才有可能忽略局部阻力件對(duì)測(cè)量精度的影響。按照GB 2624-2006的要求，當(dāng)β＞0.6時(shí)，孔板需要長(zhǎng)度＞40D的前直管段，即便允許0.5%附加誤差時(shí)，所需的前直管段也要＞13D。噴嘴所需的前直管段較孔板短，但長(zhǎng)度至少也要＞18D，與之相比，V形錐流量計(jì)可以顯著縮短直管段長(zhǎng)度。另外，選擇合適的β值可以用較短的直管段長(zhǎng)度克服阻流件對(duì)流出系數(shù)的影響。通過(guò)試驗(yàn)證明，當(dāng)V形錐流量計(jì)直徑比β值選擇0.65左右時(shí)，維持流出系數(shù)不變所需的直管段長(zhǎng)度最短。

無(wú)論在何種工作條件下，所需的前后直管段分別為0～3D和0～1D，甚至不需要前后直管段的宣傳是不科學(xué)的，安裝前需預(yù)留足夠長(zhǎng)的前后直管段。

2.2 量程比和測(cè)量精度討論

McCROMETER公司在對(duì)V形錐流量計(jì)的宣傳中宣稱其測(cè)量范圍為10∶1，甚至更寬，重復(fù)性0.1%，不確定度0.5%，并提供了幾個(gè)口徑的雷諾數(shù)與流出系數(shù)曲線圖，如圖3所示。在保證流出系數(shù)不變(即保證線性度)的情況下，V形錐流量計(jì)的測(cè)量范圍并未達(dá)到10∶1，除去小雷諾數(shù)的點(diǎn)超差，剩下的也只有4倍的范圍度。我公司在機(jī)械工業(yè)第十三計(jì)量測(cè)試中心站對(duì)DN50、DN100和DN300這3種口徑20臺(tái)V形錐流量計(jì)分別做了試驗(yàn)。試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 雷諾數(shù)與流出系數(shù)關(guān)系曲線圖Fig.3 The relational curves of Reynold and Efflux coefficient

從圖3可以得出以下結(jié)論。

①3種口徑的流量計(jì)在量程比10∶1的范圍下，均沒有做到流出系數(shù)不確定度0.5%。

②流出系數(shù)是隨著雷諾數(shù)變化的，它們之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，按照J(rèn)JG 640差壓式流量計(jì)檢定規(guī)程，在實(shí)流檢定時(shí)只需計(jì)算出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)流出系數(shù)的重復(fù)性，而不用計(jì)算整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)流出系數(shù)的線性度，流出系數(shù)的不確定度是采用測(cè)量范圍內(nèi)重復(fù)性最大的測(cè)量點(diǎn)來(lái)計(jì)算的。現(xiàn)場(chǎng)使用V形錐流量計(jì)時(shí)，如果只是簡(jiǎn)單地采用流量范圍內(nèi)流出系數(shù)的平均值來(lái)計(jì)量是不夠科學(xué)的，必定會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。另外要想做到在10∶1的測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到0.5%的測(cè)量精度，需要對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行分段線性化補(bǔ)償，并且要配用高精度、適當(dāng)量程的差壓變送器。

③V形錐流量計(jì)不適用于DN50以下口徑。因?yàn)榭趶皆叫。庸るy度越大，不易保證加工精度;另外口徑越小，流出系數(shù)的離散性越大，所以作者認(rèn)為V形錐流量計(jì)的適用口徑范圍應(yīng)為DN100～600。在這個(gè)口徑范圍內(nèi)，節(jié)流件易于保證加工精度，也便于做到實(shí)流檢定，保證測(cè)量精度。

④節(jié)流裝置的測(cè)量范圍一般為(4～5)∶1，V形錐流量計(jì)具有流動(dòng)調(diào)整的功能，流體通過(guò)節(jié)流件時(shí)產(chǎn)生的漩渦小，流動(dòng)較孔板穩(wěn)定。尤其在測(cè)量小流量時(shí)，穩(wěn)定性尤為突出，在流量上限相近的情況下，流量下限比孔板低。所以在保證測(cè)量上限不變的情況下，盡量降低流量測(cè)量下限，并且配用可變量程的高檔智能差壓變送器是可以提高測(cè)量范圍度的。這也是宣稱V形錐流量計(jì)量程比能達(dá)到10∶1甚至更寬的原因。

2.3 節(jié)能效果分析

V形錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)具有改善流動(dòng)方向的作用，這種流動(dòng)在流體力學(xué)試驗(yàn)中證明可以減小甚至消除漩渦［5］。其節(jié)流件沒有銳利的緣口，與孔板類節(jié)流裝置相比具有減小壓損、節(jié)能的效果。但通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，其永久壓力損失僅比孔板稍低，所以V形錐流量計(jì)并不是最理想的節(jié)能型差壓式流量?jī)x表［6］。

2.4 適用領(lǐng)域分析

與孔板類節(jié)流裝置相比，V形錐流量計(jì)為“邊壁收縮式”結(jié)構(gòu)。當(dāng)測(cè)量臟物介質(zhì)時(shí)，臟污不會(huì)堆積在節(jié)流件附近，但由于負(fù)壓取壓口開在錐體尾部，管線較長(zhǎng)且有拐角，這里是臟污易積聚的區(qū)域，雜質(zhì)很容易進(jìn)入負(fù)壓取壓管內(nèi)部造成堵塞。當(dāng)測(cè)量蒸汽介質(zhì)時(shí)，停氣檢修時(shí)管道底部會(huì)存有積水。恢復(fù)通氣后，在壓力的推動(dòng)下，水的波動(dòng)很容易導(dǎo)致管道的振動(dòng)。流量較大時(shí)，管道振動(dòng)劇烈甚至損壞節(jié)流件造成生產(chǎn)事故。當(dāng)測(cè)量氣體介質(zhì)時(shí)，由于在錐體的下游產(chǎn)生的是高頻低幅并成對(duì)稱分布的小漩渦，信號(hào)噪聲非常低。在低流量、低差壓的情況下，V型錐流量計(jì)仍能保證較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，因此特別適合于低密度、低流速氣體的測(cè)量。

通過(guò)以上分析可知，V形錐流量計(jì)適合對(duì)低流速液體介質(zhì)、低密度、低流速氣體介質(zhì)和低流速的蒸汽流量計(jì)量，而不適宜于測(cè)量較為臟污的介質(zhì)和高流速流體介質(zhì)。

2.5 流出系數(shù)與可膨脹性系數(shù)研究

V形錐流量計(jì)同樣遵循伯努利方程和流體連續(xù)性方程，所以在測(cè)量不可壓縮流體時(shí)，流出系數(shù)仍可按式(1)通過(guò)實(shí)流標(biāo)定得到，因V形錐流量計(jì)為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。當(dāng)測(cè)量可壓縮流體時(shí)，一般采用雷諾數(shù)相等的原理，在氣體試驗(yàn)室或水流量試驗(yàn)室標(biāo)定出流出系數(shù)。由于各種測(cè)量介質(zhì)的物性不同，采用與測(cè)量介質(zhì)不同的介質(zhì)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定時(shí)往往忽略了可膨脹性系數(shù)對(duì)流出系數(shù)的影響。McCROMETER公司分別給出了V形錐流量計(jì)的可膨脹性系數(shù)ε和流出系數(shù)C的計(jì)算公式［7－8］:

有研究者對(duì)一些技術(shù)資料進(jìn)行分析后，又對(duì)式(3)進(jìn)行了修正，添加了與雷諾數(shù)相關(guān)的修正項(xiàng)［8］，并給出了如下計(jì)算公式:

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從安裝所需的前后直管段長(zhǎng)度、量程比、壓力損失和適用領(lǐng)域等方面，對(duì)廠家所宣傳的V形錐流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)做了理性、細(xì)致的分析，希望能夠引起讀者的注意，在選用V形錐流量計(jì)時(shí)一定要權(quán)衡其利弊，不要盲目使用［10］。

［1］許晴雪.V型錐流量計(jì)的原理及應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2007(5):55－57.

［2］孫延祚.從節(jié)能降耗要求看推廣應(yīng)用VNZ流量計(jì)的必要性［J］.石油化工自動(dòng)化，2005(5):95－98.

［3］孫淮清，王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:3－5.

［4］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.JJG 640-1994差壓式流量計(jì)［S］.1994－12－01:23－33.

［5］毛新業(yè)，孫淮清.客觀對(duì)待內(nèi)錐流量計(jì)與節(jié)能降耗的關(guān)系［EB/OL］.［2013 －08 －16］.http:∥www.china.flow.com.cn/.

［6］劉躍.內(nèi)錐流量計(jì)的探討［J］.自動(dòng)化儀表，2004，25(3):38 －42.

［7］徐英，于中偉，張濤，等.V形內(nèi)錐流量計(jì)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流出系數(shù)的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008(12):105－111.

［8］孫德志，振超，劉煒麗.V錐流量計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(3):9－11.

［9］孫淮清.V型內(nèi)錐節(jié)流裝置代替標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置應(yīng)具備的條件淺談［EB/OL］.［2013 －09 －10］.http://www.chinaflow.com.cn/.