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《流量测量方法与仪表选用》

发布时间:2018-04-27 13:46   类型:基础知识   人浏览

本讲就实践中常见共性的流量传感器或变送器在管道系统方面的失误,如液体气穴和混入气体,气体中凝结液等的产生,以及正常运行因其它设备(如泵)的缘故误解为流量仪表的故障等作些说明,并提出一些防范措施。

1 不良安装
  安装流量仪表前,首先要了解标准、规程和制造厂于使用说明书上提出的安装要求,然后选择理想的安装位置,判断其上下游管配件对测量的影响程度,是否有足够上下游直管段长度,等等,使之符合要求,避免因不良安装而产生额外系统误差。
  不良安装有两种类型:第1种是安装操作不慎所致,应尽量避免;第2种是受管道系统客观条件限制(如上游直管段长度不足),达不到规定要求所造成的,而又无法作相应改善,则要评估影响测量值的程度。
1.1 第一类不良安装
  操作不慎的不良安装,常见的有:①孔板进口面反装;②仪表和管道间密封衬垫内径小于管径和仪表内径而产生束流;③密封垫片未对准中心,部分盖住了流通面积而破坏正态流速分布;④仪表处于错误的流动方向;⑤安装在流速分布剖面不良和有漩涡的场所;⑥差压式仪表引压管线斜率不正确,存在不希望有的相(如测量液体时有气体);⑦将敏感于振动干扰的仪表装在有振动的管道;⑧仪表或电信号传输导线置于强电磁场中;⑨缺少必要的防护性配件,等等。这些问题是众所周知的,应予避免,然而由于目前新建工程的仪表安装由安装公司承接,许多单位缺乏经过专门训练的仪表安装人员,常由水电工担任,忽视仪表的安装要求是屡见不鲜的。
  密封衬垫孔径DN应略大于仪表内径Dm,如DN小于Dm会产生束流现象而对节流差压式、涡轮式、涡街式、超声式、靶式等仪表的测量值带来影响。例如涡街式仪表规定前接管道内径Dp不应过小,应符合0.98Dm≤Dp≤1.05Dm,亦即密封衬垫孔径亦不应小于0.98Dm。密封衬垫安装偏心,遮住部分流通面积,畸变速度分布,引成严重不对称。由于不对称流动就在流量传感器的进口处发生,即上游直管段长度为零,会对节流差压式、涡轮式、涡街式、超声式、电磁式、靶式等仪表的测量值带来很大影响。密封衬片孔径过小或安装偏心,虽然对容积式、浮子式、科里奥利质量式等仪表的流量值没有影响或影响极小,但会增加额外的压力损失。
1.2 第二类不良安装
  为了使现场使用的流量仪表获得与实流校验相同的精度,一定要满足规定的流动条件。例如,大部分流量仪表要求上游束流是充分发展的流动,保证下游配管件的扰动不会上溯影响测量值,即要求一定长度上下游直管段。现场安装条件往往不易满足,但要尽量避开以下扰动源。
1.2.1 上游扰动源
  上游扰动源有弯头、异径管、支管和阀等,遇到最多的是各种弯头及弯头组合件,如同平面双弯头及空间双弯头等。流体在弯头中由于离心力的作用,外壁产生扩散效应,内壁产生收缩效应,形成横向流动的二次流,弯头下游发生速度分布畸变和漩涡。图1所示三维管道布置如同空间双弯头,亦会产生严重漩涡。



  各类流量仪表对上游流动扰动敏感性不一。图2所示为不同弯曲半径R与管径D比值(R/D)在不同上游直管段下对孔板系数的影响。R/D愈小影响愈大,但直角弯头(即R/D=O)反而比弯曲弯头影响小。图3所示为不同漩涡角的漩涡流对孔板系数的影响。



在各类流量仪表中,对节流差压式直管段长度要求曾进行过大量试验研究,典型阻流件成熟的结果已在国际标准(ISO)中规定。其它仪表至今未达到如此成熟的程度,无论是标准规范或制造厂使用说明书提供的数据,不及节流差压式完善,有时只能起参考作用。Hayward认为:其它类型仪表在无可靠的资料时,可借鉴开孔面积比0.5的标准孔板所规定最短上游直管段长度,作为大体上的参照,但这仅仅是粗略的指南,因为有些仪表要更长的直管段,如特别敏感于漩涡的涡轮式和涡街式仪表遇到漩涡流时[1]。
1.2.2 下游侧的扰动
  通常想象流体流出仪表后的流动状态不会影响仪表,这是一种错觉。弯头或阀门等形成的扰动会上溯传播影响几倍管径长度的距离,如仪表离开它们过近还会受到影响。大部分情况下5倍管径下游直管的已足够了,有些特例可能要稍长些,但可认为10倍管径长度能可靠地应付任何下游扰动源。
1.3 避免产生安装附加误差的通则
  容积式仪表能适应上游严重的扰动,浮子式和科里奥利质量流量计对上游扰动不敏感,其它流量仪表都会不同程度地受上游扰动的影响。Hayward认为:除按标准规范或制造厂规定要求外,还可遵循下列通则。
  a.避开最有害的漩涡。尽可能在仪表上游100D的距离内没有图1所示典型漩涡发生源。
  b.要有“足够”长度的上下游直管段。多少才是“足够”长度?一种说法是只要上述通则a能够满足,节流差压式仪表标准规范所作规定认为是“足够”的,对大部分即使敏感于流动扰动的其它流量仪表也是适用的;另一种说法是上游50D和下游10D直管段长度已十分保险,有些类型仪表远低于此要求。
  c.如直管段长度不能满足而又要保证测量精度,则可采取以下两种变通方法之一。
  ①在现场安装条件下标定,或在相同于安装条件的弯头等配件与仪表一起在试验室流量标准装置上校验。
  ②在仪表上游加装下节所述流动调整器。

2 流动调整器
2.1 流动调整器类型
  要消除漩涡的直管长度很长(例如消除10°初始旋转角所需长度要150D以上),流动调整器的主要功能是消除漩涡,然而也可改善速度分布畸变,恢复到接受的参比速度分布几何形状。
  图4所示3大类流动调整器:a类是以消除漩涡为主;b类是消除漩涡和改善中等程度速度分布畸变;c类是消除漩涡和改善严重速度分布畸变。装用流动调整器会增加阻力,在下游与仪表之间还要装一小段直管。流动调整器的压力损失与消除速度分布畸变程度而异,a类最小,c类最大。文献[2]列有各型流动调整器计算压力损失的压损系数以及赞克型和三菱型开孔的具体尺寸。

2.2 流动调整器的安装

  流动调整器安装不慎所产生危害有时会超过流动改善,装用时应遵循以下基本准则。
  a.与三菱型相似的多孔板流动调整器即使非常接近流动扰动源,也能很好地起作用。因此,可以直接装在弯头、阀等扰动源出口的法兰上。
  b.其余各类流动调整器必须安装在距离扰动源下游至少3D的地方,否则易被刚产生的扰动削弱整流作用。
  c.从流动调整器流出的速度分布仍存在一些畸变,因此在其下游与仪表之间还应有一段直管以消除畸变,理想长度20D以上,但应不低于10D;如能与仪表装在一起实流校验,则5D就够了。

3 气穴形成的失误
  在测量液体流量时,仪表内部产生气穴将导致错误的测量值。气穴产生的原因是仪表内部压力低于液体蒸气压所致,应提高工作压力或仪表下装背压阀以提高仪表内部压力,勿使低于规定的值。仪表内部最低压力点的位置因仪表测量原理和结构而异,如孔板邻近其下游侧,涡轮流量计在涡轮处,涡街流量计在漩涡发生体处。有些仪表内部最低压力低于背压很多。
  防止流量仪表产生气穴所需最小背压应是多少?对于节流差压式仪表的检测件应不低于它们的初始气穴数,见式(1)和表1;其它仪表按式(2)计算最小背压,例如涡轮流量计和涡街流量计式中A,B两常数分别是3和1.5,这是较保守的值。
  气穴用无量纲气穴数λ来表征:

λ=(p-pv)/(1-2ρ2)        (1)

式中:p为流体静压,Pa;pv为流体蒸气压,Pa;ρ为流体密度,kg/m3;为平均流速,m/s。


流量检测件
初始气穴数
孔板 3.0
文丘利管 0.33
文丘利喷嘴 0.55
道尔管 1.0
喷嘴 1.8

防止流量计产生气穴的最小背压(p3)min为

(p3)min=A(p1-p2)+BPv        (2)

式中:A,B为常数,由实验确定;p1为进入流量仪表前的压力,Pa;p2为流量仪表内的最低压力,Pa;pv为流体蒸气压,Pa。
 还有常被忽视的另一祸源,即仪表上游管线配件(如阀)产生的气穴,特别是石油制品,燃料和溶剂产生的气穴形成云雾状气泡在其下游保持相当长的距离,极易造成仪表测量误差。流量控制阀在接近关闭状态时最易发生气穴;某些三通阀和四通阀在改变流通方向时也容易产生强烈的气穴。

4 液体中夹杂气体
  上节提到气穴会在液体中产生气泡而造成误差,此外另有几种进入空气或产生气体的途径。
4.1 管道充液不全残留空气
  管道系统检修时要排尽液体,启用时重新充液。有时候完全充满亦相当困难,因为管线所有高点(如倒U形管弯头顶部)和死角易潴留气团,日后遇到压力或流量突然波动,气团破裂带走部分气体。这是管线投入运行初期流量仪表测量不准确的原因之一。少量体积的气泡会带来相当大的误差,实验表明含1%体积气泡的液体进入涡轮流量计会产生+5%误差。过多气泡还会阻塞差压式仪表的引压管,使测量无法进行。
  良好设计的管线只有很少高点,且在这些高点置有排气阀,人工排放潴留气体。如有许多高点的管线,排放气体带来很大工作量,改用自动排气阀或在流量仪表上游装气体分离器来替代,分离夹带气体。国内多家制造厂有气体分离器定型产品。
4.2 密封泄漏
  空气粘度远比液体小,某处密封能保持液体不外泄,却不一定保证气体不外泄。负压管道连接处密封稍有不慎,极易将空气吸入管内。负压管(如泵吸入端)的密封不良将空气吸入是众所周知的,但管压略高于大气压若出现脉动流,产生瞬间管压低于大气压,亦会将空气吸入。要经常检查负压管各连接处,一旦发现密封有损坏征兆,应即予更换。
4.3 漩涡卷入空气
  储存容器液位高度下降到距离管道进口端只有几倍进口直径(取决于吸入流速)时,就会产生漩涡,将液气界面的空气卷入液体而进入管道。这可能是遇到管道进入空气最普遍和进气量最多的原因。

4.4 冷却收缩形成的气体
  这是一种比较隐蔽的空气混入液体的方式。充满液体的管线停止运行后逐渐冷却,由于热膨胀系数不同,液体收缩比管线大得多,管道中形成真空的收缩空
间,液体中溶解空气便分离出来形成气泡积聚于管线高点,重新开车必须排除这些气体。如果开始运行时流量测量出现正向误差,就要考虑这一因素。
4.5 应用气体分离器
  气体分离器又称消气器,过去与容积式仪表配套使用居多。液体从上述几种途径进入气体而影响测量值时,有时亦须装气体分离器,特别是间歇运行和测量价值较高的石油制品等,以及贸易核算要求严格的场所。流程工业连续运行的系统中液体不常出现夹杂气体现象,过去流量仪表前一般很少装气体分离器,但现在要求提高,在涡轮式仪表等前有加装气体分离器的趋势。

  分离器排放的气体是空气,或是液体的饱和蒸气和夹杂的液滴,如是易燃液体,要妥善处置,确保安全。


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