引言
长期以来,孔板流量计由于其技术成熟、标准化程度高、结构简单、维护方便等特点而被广泛地应用。在海洋石油工程中也常常会用到孔板流量计。以采 油平台的测试分离器气体出口测量为例,由于该介质为气体,一般压力较高,介质成分较复杂,流量范围随着年份变化较大等特点,决定了该场合应用孔板流量计最 为合适。尤其近年出现的可更换孔板更是解决了原有孔板流量计的低量程比的缺点而被广泛地应用。但是可更换的孔板价格昂贵,一般至少为同管径孔板流量计价格 的5倍以上。那么有没有更好的产品来代替它,笔者认为v锥流量计就是代替它的首选产品。
1 v锥流量计的优点
v锥流量计是从2000年左右才在国内出现的流量计。其工作原理和孔板流量计相同。介质通过v锥时,由于阻流件v锥的存在,使得流体的流过面积 发生变化,流速发生变化,根据伯努利方程,流速变化引起了压力的变化,该压力的变化与流速之间有一定的关系。通过测量该压力差达到测量流量的目的。虽然与 孔板原理一样,但是最本质的区别在于孔板为中心收缩型节流装置,而v锥为边壁收缩型节流装置。
众所周知,测量范围窄是制约孔板使用的主要原因。测量范围窄的主要原因是:孔板的流量系数随雷诺数的变化而变化较大,孔板的突然节流导致孔板后发生比较大的漩涡,该漩涡的存在直接导致信号噪声比较大,从而限制了它的测量范围。而v锥流量计克服了以上缺点。
如图1所示,v锥流量传感器是由与管道同轴的内部节流件v锥和取压装置组成的,流体经过时并不是像孔板那样突然改变流体的流动状态,而是介质随 着锥体的方向向边壁收缩,该锥体起到了调整介质流动状态的作用,重塑了流束曲线,使流体的流动更加稳定。而且由于惯性力的存在,介质经过v锥的边缘时并不 直接冲刷锥体边缘,因此v锥的边缘不像孔板那么容易磨损,v锥的使用寿命长。由于v锥特有的结构,v锥流量计有许多优于孔板流量计的特点。
1.1 量程比宽
v锥的最早生产厂mccrometer公司开展了一系列测试研究工作,得出结论:v锥和孔板比较,v锥的信噪比要小的多。由于信噪比小,v锥在 小流量测量时,即使测量的差压在较小的工况下也可以精确地进行测量。从而不必像孔板那样,需要通过增大变送器的阻尼来改善信号噪声的影响。正因为此,v锥 的量程比远大于孔板的量程比。印度理工学院的sn singh教授分别使用油和水在不同的雷诺数下做了实验,得出结论:在一定的测量范围内,v锥的流出系数几乎与雷诺数无关。笔者也曾参与了数百台v锥流量 计的标定工作,从数据中可以看出,一般在1. 0精度范围内,使用单台差压变送器,v锥的量程比就可以达到10∶1。
1.2 直管段要求低
v锥的自整流功能使其直管段要求低于孔板。印度理工学院的sn singh教授分别采用油和水,在上游的不同位置安置不同开度的阀门来试验,最后得出的结论为:如果上游的干扰是发生在v锥流量计的上游10d,或更远 处,则这种非对称的速度分布不会影响流出系数的值,流出系数将保持在理想条件下所得出的相同的数值;如果上游干扰源的位置距离v锥流量计小于10d(如 5d),则流出系数的最大变化量为6%。可见只要v锥前面有10d的直管段,无论前面有什么样的节流件都不会对其测量造成影响。而iso-5167中规定 孔板的直管段要求根据前面节流件的不同有很大的变化,一般至少需要20d。如上述测试分离器的气体出口一般采用4"的管道,对于v锥来说,其前面只需1 m的直管段就可以了,后面只需0. 5 m的直管段。
1.3 压力损失小
压力损失即不可恢复的压力,它是流量计选型时需要考虑的重要指标之一。在当今能源缺乏,提倡节能减排的社会,该参数显得尤为重要。由于v锥体边 缘形状决定流体的流动状态,流体的压力损失远小于使用孔板时的压力损失。而且由于v锥的自整流功能,其前面无需加整流器,而孔板则需要较长的直管段来调整 流体的流动状态。海上石油平台上空间较小,寸土寸金,很难满足直管段的要求,常常需要增加整流器,以保证介质的流动状态。但是整流器的高压损带来的弊病就 是消耗更多的能源。即使不考虑整流器,在同一流量下,v锥的压力损失一般也只有孔板的1/2~1/3。
1.4 精度高
由于v锥结构无可动部件,使得v锥具有很好的重复性,一般小于0. 1%。由于量程比宽,即它的线性度好,从而使其精度较高。根据gb17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》规定,用于能源计量的流量 计准确度等级要求为:煤气和天然气为2. 0级。所以在测试分离器出口的气体测量中,在10∶1的量程范围内,v锥加上差压变送器及二次表的总体误差不会低于1. 5级,完全能满足计量要求。
1.5 长期性能好
由于锥体的轮廓形状限制了介质的流动,流体沿着锥体形成了边界层,这意味着锥体的边缘不容易受不清洁的流体磨损,从而使开孔比β保持不变,使得流量计可以在很长时间内保持精度而不必校验。
2 v锥流量计的缺点
虽然v锥流量计有很多的优点,但是它还是存在一些不足之处。
2.1 需要标定
孔板是唯一通过保证几何尺寸就可以保证其测量精度的流量计。而v锥属于新型的流量计,虽然众多的厂家及科研人员做了大量的实验,但迄今为止v锥 流量计可依据的国家标准有限,而且由于机密性和专利的限制,现已公布的有关v锥流量计结构设计的可利用的文献较为缺乏。各个生产厂家依据企标来生产,可以 说产品鱼龙混杂,并不是每个厂家的产品都可靠。由于试验数据不充分,使得每台v锥流量计出厂时都必须经过严格的标定。从而也增加其费用。
2.2 售价较高
同种规格的v锥流量计的价格要高于孔板流量计,但低于可更换孔板流量计。由于v锥的用料多、加工工艺复杂、标定费用高,使得其售价较高。但是在 考虑流量计时,初次购买价及安装费用、仪表的可靠性、长期维护费用、永久压力损失等综合因素的总评才是选取流量计的依据,只有综合考虑并权衡了以上这些重 要因素,才能做到合理选型。如前所述,v锥流量计除了在初次购买费用上高于孔板流量计外,其他的费用应该与孔板流量计持平或低于孔板流量计。尤其是在补偿 压力损失所需要的耗能方面,v锥流量计远远优于孔板流量计。所以从长远考虑,使用v锥流量计的综合费用要低于孔板流量计。
使用可更换孔板的目的就是为了提高孔板的量程比。但是其价格昂贵。如果给v锥流量计配两台不同量程的变送器,那么其量程比的扩展要远大于可更换孔板流量计,而其价格要远低于可更换孔板。
2.3 差压较低
由于v锥流量计的流出系数要大于孔板流量计的流出系数,使得相同流量时孔板的差压值要高于v锥的差压值。孔板流量计的变送器一般都是用中差压表,v锥流量计一般用低差压表。
3 结论
综上所述可知,在很多场合用v锥流量计代替孔板流量计,应该是利大于弊。对于文中开头例举的海洋平台测试分离器出口的气体测量,笔者认为选择孔 板流量计或可更换孔板流量计并不是最佳选择。v锥流量计应该更适合于该工况。当然对于其他工况还需要具体问题具体分析,不能一概而论。
与本文相关：孔板流量计 http://www.kongban.net
