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甲烷流量計在測量過(guò)程中對于管道的變徑整流器應用分析

點(diǎn)擊次數:1810 發(fā)布時(shí)間:2021-01-08 06:47:03
一、概述
一般流量計前后的變徑都是為了適應流量計,為了滿(mǎn)足流量計的測量范圍,使流量計的測量精確度達到*好。比如說(shuō)介質(zhì)不滿(mǎn)管、流量偏高或偏低、都可以通過(guò)縮徑或擴徑來(lái)使其達到流量計的要求。但前后變徑必須要注意留好足夠的直管段,否則流量計的精度不但不會(huì )提升,反而會(huì )下降。傳統的流體整流器經(jīng)長(cháng)期的研究與實(shí)踐已趨于成熟,它一般采用阻隔體分隔流道來(lái)調整管道內的速度分布,以達到整流的目的;這一類(lèi)整流器主要用于實(shí)驗室和流量標定系統。但這種方法易引起污物堵塞和增加阻力損失,所以在工業(yè)管道上很少采用。
甲烷流量計由于其獨特的性能,一直受到人們重視,并己到了廣泛的應用,但仍有兩個(gè)方面的問(wèn)題困擾著(zhù)人們,一是由于儀表上游管道阻流件的干擾,流場(chǎng)發(fā)生畸變,影響旋渦正常撥離。為了克服流場(chǎng)擾動(dòng),儀表前需要配裝較長(cháng)直管道(一般為15~40倍的工藝管內徑的長(cháng)度),而在實(shí)際現場(chǎng)是很難滿(mǎn)足的。二是,甲烷流量計主要特點(diǎn)之一是量程寬,一般在10:1左右,應該說(shuō)這樣寬的測量范圍應屬比較優(yōu)良的性能,但在實(shí)際工業(yè)應用中,*大流量遠低于儀表的上限值,*小流量又往往會(huì )低于儀表的下限值,一些儀表經(jīng)常工作在下限流量附近,造成儀表的計量準確度下降,這時(shí)信號較弱,儀表的抗干擾能力也下降。為了測量小流量,人們往往采用內腔形狀為園臺的傳統變徑管,經(jīng)過(guò)縮徑提高測量處的流速。使甲烷流量計工作在正常流速范圍內,但這種變徑方式,結構尺寸大(一般長(cháng)度為工藝管內徑的3~5倍),同時(shí),由于流體流經(jīng)變徑管,在變徑處產(chǎn)生大量旋轉流團,增大局部阻力損失,也使流場(chǎng)發(fā)生畸變。所以必須在變徑管與儀表之間加裝大于15倍工藝管內徑長(cháng)度的直管道進(jìn)行整流,且增加了沿程阻力損失(如圖1所示),這種方法增加施工成本,也給加工、安裝帶來(lái)不便。

縱端面采用特殊形線(xiàn)的變徑整流器(己申報****),具有整流,提高流速及改變流速分布的多重作用,其結構尺寸小,長(cháng)度僅為工藝管內徑的1/3,可以直接卡裝在儀表的兩端,不僅不需要另外附加直管道,而且可以降低儀表對上游直管道的要求。實(shí)驗表明:儀表上游阻力件為一個(gè)平面內的兩個(gè)90°彎頭 在一般情況下,甲烷流量計上游側應加裝大于20倍管道內徑長(cháng)度的直管道,而甲烷流量計加裝了變徑整流器大大降低了對上游測直管道長(cháng)度的要求,其阻力遠遠小于傳統的變徑管。更主要的是,可使下限流速降為原來(lái)的1/3,量程比提高到15:1以上。
二、原理及分析
*先應該指出,傳統的變徑管可以經(jīng)過(guò)縮徑,并配以較小口徑的流量計來(lái)達到測量小流量的目的,但是這種方法不可能擴大儀表的量程比,因為它并末改變管道的流速分布狀態(tài)。我們知道,甲烷流量計的理論及推導是基于在無(wú)窮大的均勻流場(chǎng)中得到的,而在實(shí)際封閉圓管中,卻是非均勻流場(chǎng),橫斷面的流速分布是一回轉拋物面,雖然選擇合理的柱型,使柱體兩側弓形面的流速分布均勻,但實(shí)際上,工藝管道上回轉拋物面的流速分布的影響是客觀(guān)存在的。實(shí)驗表明在比較大的流量時(shí),這個(gè)影響較小,或說(shuō)這個(gè)影響在允許的范圍內;但隨著(zhù)流量的下降,這個(gè)影響越來(lái)越大,從大量標定數據看,儀表常數總是隨著(zhù)流量的減小而增大。這說(shuō)明取樣點(diǎn)的流速與平均流速差異越來(lái)越大。

采用了變徑整流器后(見(jiàn)圖2),由于縮經(jīng)斷面的流速在逐漸增大,在斷面上各點(diǎn)流速的增加是不一樣的,靠近中心流速增加小,而靠近喉徑邊沿處流速增加大。
設整流器進(jìn)口處壓力為P1,平均流速為V1,某點(diǎn)上的速度不均勻度為U1,出口處壓力為P2,平均流速為V2,通過(guò)進(jìn)口處某點(diǎn)同**線(xiàn),在出口處的速度不均勻度為U2,沿該流線(xiàn),由伯努利方程得:

由式(6)可見(jiàn),收縮比對出口處流速均勻度的影響,即對于一定的進(jìn)口速度不均勻度,
出口處的速度不均勻度將縮小n2倍。因此出口處流速趨于均勻,更接近甲烷流量計理論的均勻流場(chǎng)的條件,不僅使漩渦趨于穩定,且提高了儀表的測量范圍。另外,這種變徑整流器,在流體動(dòng)能的轉換過(guò)程中有效的抑制了干擾。三、實(shí)驗驗正
例1:一臺口徑為40mm的甲烷流量計安裝在φ40的工藝管道上,標定滿(mǎn)足精度1%的量程比為8:1,當安裝在φ50工藝管道上,并在儀表兩側安裝變徑整流器,在15:1的范圍內精度為1.0%。
例2:二臺口徑為50mm和40mm甲烷流量計配裝整流器后,分別安裝在口徑為80mm工藝管道上,進(jìn)行水標定。實(shí)驗數據見(jiàn)表1。
工藝管內徑/整流器喉部直徑(mm) 儀表常數重復性 非線(xiàn)性 量程 *小流速(米/秒)
80/50 17452 0.05% 0.95% 15:1 0.1
80/40 10197 0.04% 0.78% 15:1 0.16
流量計整流變徑再將兩臺口徑為φ50mm和φ40mm甲烷流量計配裝整流器后,分別安裝在φ80mm工以管道上,且儀表上游尉為一個(gè)平面內兩個(gè)90°彎頭,變徑整流器前端與*二個(gè)90°彎頭距離為3倍工藝管內徑長(cháng)段,進(jìn)行水標定,工藝圖如圖3,實(shí)驗數據見(jiàn)表2
工藝管內徑/整流器喉部直徑(mm) 儀表常數重復性 非線(xiàn)性 量程 *小流速(米/秒)
80/50 17266 0.02% 0.9% 16:1 0.1
80/40 10278
0.15% 0.08% 15:1 0.15
實(shí)驗結果表明:
1、在管道流速較低時(shí),采用變徑整流器,使儀表特性總體保持良好狀態(tài);
2、 采用變徑整流器,在儀表上游阻流件形式為一個(gè)平面內2個(gè)90°彎頭,直管道很短(3D)的情況下,儀表常數的偏移在0.7%左右,說(shuō)明整流器具有良好的流動(dòng)調整性能。(與實(shí)驗相同的上游阻流件形式在不裝整流器條件下,儀表上游直管道長(cháng)段為8倍工藝管內徑時(shí),儀表常數偏移為2.0%?。?br /> 3、 在儀表前加裝變徑整流器,投展了儀表的測量范圍。
這與理論分析是相吻合的。
四、阻力計算
設工藝管道直徑為D1, 介質(zhì)的密度為ρ,流速為V1甲烷流量計的壓力損失為?ω1, 整流器壓力損失為?ω3, 總壓力損失為?ω。?ω1=0.3ρV2 1(Pa)采用整流器后,儀表口徑為D2,則甲烷流量計處的流速為V2壓損為?ω2。
?ω2=1.3ρV2 2=(V2/V1)2·?ω1=(D1/D2)4·?ω1
整流器的壓損,取決于縮徑比D2/D1,之值一般都在0.8以上,則整流器的壓損:
?ω3=0.12?ω2
所以總的壓損?ω為:?ω=1.12?ω2=1.12(D1/D2)4×1.3ρV2 1(Pa)
例:管徑為D1=100mm的水計量系統,采用甲烷流量計作為流量計量?jì)x表,其*大流速Vmax為1m/s,其*小流速Vmin為0.3m/s,擬采用100/80整流器計算各相關(guān)參數:縮徑后流速為V2:V2max=(100/80)2×1=1.56m/s
V2min=0.47m/s?ωmax=1.12(D1/D2)41.3ρV2 1=1.12(100/80)4×1.3×998×1=3547(Pa)
五、應用舉例
加裝變徑整流器滿(mǎn)管式甲烷流量計已大量用于氣體、水、蒸氣等介質(zhì)的測量,其實(shí)例枚不勝舉,均收到了令人滿(mǎn)意的效果。
更值得一提的是,將變徑整流器與插入式甲烷流量計配套使用(見(jiàn)圖4),用于大口徑煤氣測量,成功地解決了大口徑煤氣介質(zhì)臟,流速低、流量變化大,允許壓損小等者大難問(wèn)題。
在冶金行業(yè)中,測量大口徑煤氣一般采用孔板流星計,由于其自身的局限性,很難滿(mǎn)足實(shí)際測量要求,其問(wèn)題是:①煤氣中含有粉塵和各種雜質(zhì),經(jīng)一段時(shí)間運行,大量粉塵堆積在孔板的上游側,各種雜質(zhì)附著(zhù)在測量元件表面,就孔板來(lái)說(shuō),已無(wú)準確度可言,同時(shí)又經(jīng)常發(fā)生導管堵塞的問(wèn)題。由于生產(chǎn)的連續性,不可能停氣清洗或更換孔板。②由于介質(zhì)
流速低,為獲得較大的差壓,孔板的開(kāi)孔徑一般都比較小,造成壓損大,當流量增大時(shí),孔
板卻起不了限流作用,遇到此類(lèi)情況,有些企業(yè)不得不拆除孔板來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)。③普通孔板流量計的量程近為3:1,往往不能滿(mǎn)足實(shí)際工況的需要。
已投入實(shí)際運行的變徑整流器與插入式甲烷流量計所構成煤氣流量計量系統:①變徑整流器入口處為光滑曲線(xiàn),介質(zhì)流經(jīng)時(shí),有自清洗的效果,不會(huì )造成粉塵堆積。②變徑處流速提升可滿(mǎn)足插入式渦銜流量計下限流速的要求,且甲烷流量計量程比為10:1,完全滿(mǎn)足煤氣測量范圍的要求。③插入式甲烷流量計可在管道不斷流的情況下拆出測頭進(jìn)行定期或不定期清洗。滿(mǎn)足連續生產(chǎn)的要求。④壓損小,插入式甲烷流量計測頭部分在大口徑管道內的流阻很小可忽略不計,變徑部分的變徑比一般都大于0.7,管道*大流速按25米/秒計算,壓損僅在200Pa以?xún)取?br /> 上述表明,此種方法是解決大口徑煤氣計量的行之有效的方法。
六、結束語(yǔ)
甲烷流量計與變徑整流器配套使用,形成了一種新的流量測量系統,可使流量測量下限為下降(為原來(lái)的1/3),測量范圍擴大(15:1以上),并可以大大降低儀表對上游直管道長(cháng)度的要求。這對一個(gè)流量計來(lái)講無(wú)疑是一個(gè)不小的進(jìn)步,它拓寬了甲烷流量計的應用范圍,在燃氣、城市煤氣、水、熱水、蒸汽、油品、奶液、藥液、化工產(chǎn)品(上述介質(zhì)一般要求下限流速低,測量范圍寬)的流量測量中將發(fā)揮突出優(yōu)勢。變徑整流器在工業(yè)用戶(hù)中實(shí)際應用情況還表明,變徑整流器簡(jiǎn)化了儀表安裝工藝,并且大大降低了工程造價(jià)。
變徑整流器研究與應用是流量應用技術(shù)研究的典型實(shí)例,它本身的研究還有待于進(jìn)一步的深入,同時(shí)我們還應進(jìn)一步關(guān)注其它與流量鋇幢相關(guān)的應用技術(shù)研究,充分利利用現有的技術(shù)設備資源,真正解決一些流量測量的難點(diǎn)問(wèn)題

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