从节流式差压流量计的发展历程看如何进行流量仪表的开发

供稿:江苏华海测控技术有限公司

  • 关键词:节流式差压流量计,实验室的试验研究,现场的试验研究
  • 作者:华海
  • 摘要:流量测量在国民经济各部门获得愈来愈广泛的应用,几乎每年都有许多新品种流量仪表问世。本文的目的是想用一种最古老的流量仪表的发展历程来说明仪表在开发与应用中可能遇到哪些问题;怎样来评价流量仪表的两个主要特性:可靠性和准确度(精确度)。

编者按:流量测量在国民经济各部门获得愈来愈广泛的应用,几乎每年都有许多新品种流量仪表问世。本文的目的是想用一种最古老的流量仪表的发展历程来说明仪表在开发与应用中可能遇到哪些问题;怎样来评价流量仪表的两个主要特性:可靠性和准确度(精确度)。
  
一、 节流式差压流量计的发展历程
  以标准节流装置为检测件的节流式差压流量计真正用于工业流量测量是在20世纪30年代,早在20年代美国和欧洲开始对差压流量计进行开发的试验研究,后来将用得最普遍的节流装置——孔板和喷嘴开始标准化,现在标准喷嘴的一种型式——ISA1932喷嘴,其几何形状就是30年代标准化的。只有节流装置结构型式标准化了,才有可能把国际上众多研究成果汇集在一起,它促使节流装置标准化工作加速进行。1931年美国ASME(美国机械工程师学会)和AGA(美国气体协会)成立联合小组对同心直角锐孔板的流出系数进行深入试验研究,直至1935年在美国俄亥俄大学进行一次称为OSU89的试验,总结出著名的流出系数白金汉公式(Buckingham Equation),直至80年代它还一直是美国孔板流量计国家标准的基本公式。在此之前,1922~1933年美国API(美国石油学会)、GPA(气体加工协会)及AGA等都曾对法兰取压法孔板流量计的仪表特性进行广泛现场试验研究,摸清孔板几何尺寸、管道中流速分布以及流体物性对流出系数的影响,为制订AGA1、2号报告和AGA3号报告打下基础。在同一时期欧洲各国(主要为德国、英国)亦对孔板流量计进行大量试验研究。他们主要针对角接取压法,以德国节流装置国家标准DIN1952(第三版,1935年)颁布为标志的欧洲标准化工作亦取得积极进展。1948年ISO(国际标准化组织)成立第30技术委员会(TC30)“封闭管道中流体流量的测量”,TC30下设第2分技术委员会(SC2)“差压装置”专门负责差压装置国际标准的制订工作。经过十余年的工作于1967年颁布了国际建议R541“用孔板和喷嘴测量流体流量”,接着于1968年颁布国际建议R781“用文丘里管测量流体流量”,实际上此两个国际建议是把美国和欧洲自成系统的标准综合在一起。自此之后,ISO/TC30/SC2继续进行国际标准的制订工作,于1976年提出节流装置国际标准草案ISODIS5167“用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量”,1980年ISO正式通过国际标准ISO5167,至此流量测量节流装置一个国际标准诞生了。ISO5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置(孔板、喷嘴和文丘里管)的理论与实践的研完成果,反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。
但是,从ISO5167正式颁布之日起,ISO即宣布开始进行标准修订工作,因为它存在着几个缺点:
  (1) 试验数据的陈旧性:ISO5167(1980年)只是反映70年代以前的试验研究工作成果。80年代国际上流量测量试验设备及数据处理技术已有很大进展,必须以最新试验成果作为节流装置基础数据(数据库);
  (2) ISO5167中直管段长度规定的问题:在通过ISO5167(1980年)时,标准的取材国——美国却投了反对票,其原因是国际标准的规定与美国国家标准(亦即AGA3号报告)的规定有抵触,两者相差约达1倍,直管段长度规定是标准的两个核心问题之一,它涉及现场安装要求,对仪表性能有重要影响,必须妥善解决;
  (3) ISO5167中各项规定的科学性问题:影响节流装置流出系数因素非常多,主要有孔径与管径比值β、取压装置、雷诺数、节流装置安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘锐利度、管壁粗糙度、流体流动波动、脉动及湍流度等。众多因素影响错综复杂,有的参数难以直接测量,因此标准中有些规定并非是科学地确定,而是为了取得投票的一致,不得不人为确定;
  (4) 如何提高节流式差压流量计准确度的问题:目前节流式差压流量计准确度水平大致为实验室大于±0.5% FS,现场大于±0.5% FS。由于节流式差压流量计在流量测量中的重要性,提高其准确度意义很大,但是如何提高却困难重重,在1983年一次孔板流量计国际学术会议上专家们取得共识,即只有在微观水平上对流体流经孔板的流场有深入了解和掌握才能预报在现场条件下准确的被测值。要做到这一点,必须有3方面人员,即流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者的紧密合作才有可能。
  为解决上述问题,国际流量界在80年代进行过一次大规模孔板流量计试验研究,它就是欧共体EEC实验计划和美国API实验计划。试验以现代最新流量测试设备和数据统计处理技术进行新一轮范围广泛的实验室及现场试验研究。历时十余年的试验改变了ISO5167中数据的技术基础,为修订新标准打下坚实基础。修订的ISO5167是一部有实质性提高、新的节流装置国际标准。
  流量仪表在开发过程需要进行两方面试验研究:实验室的和现场的。实验室试验是在参考(参比)条件下进行,它是一种理想状态,这时得出的准确度为基本不确定度。在现场,流量仪表工作条件发生变化,主要影响因素为流体特性和流动特性。
  流体特性又分为两类:流体物性(物理性质)和流体特性。流体物性对流量计的影响因工作原理而异,对常用流量计有影响的物性参数为密度、黏度、等熵指数、声速、导电率、导热系数等,其中密度和黏度是普遍的,又以密度最为重要,为确定流体质量流量,对于体积流量计须同时监测密度,密度准确度直接影响流量值准确度。黏度是雷诺数的一个参数,它的影响是间接的,因此对其准确度要求可放宽些。黏度是判断牛顿流体与非牛顿流体的一个参数,目前全部流量测量标准都仅只适用于牛顿流体。许多混相流为非牛顿流体,其黏度有复杂的特性。流体特性是指流体的腐蚀、积垢、脏污、冻结、混相、相变、有毒、易挥发等特性,这些会改变检测件几何形状及尺寸、管壁粗糙度及管道横截面面积等,它对仪表可靠性及准确度构成严重威协,尤其这些特性是随仪表投用时间而恶化的,应是仪表维护的重点关注问题。
  在现场,流体流动特性主要有两方面:非充分发展管流和非定常流。非充分发展管流主要为流速分布畸变和旋转流,一般推理式流量计(科氏质量流量计除外)都或多或少受其影响,流量仪表上游的阻流件是非充分发展管流的干扰源,阻流件类型复杂多变,在实验室又难以完全复制,它成为流量仪表现场应用的主要课题之一。目前除节流式差压流量计外,其余流量计的非充分发展管流干扰试验研究都还不够成熟,严重影响到仪表准确度的可信度。新修订的ISO5167在非充分发展管流干扰抑制规定方面有实质性提高,它是近二十年来国际上大力开展试验研究工作的成果。应该指出,即使ISO5167新标准,它所列举的阻流件类型仍不能满足现场需要,今后仍需进一步拓宽与提高。非定常流干扰是现场一种普遍现象,其原因有:原动机如往复式发动机、压气机、泵、风机等产生;控制阀频繁动作产生;管线自激振荡,特别有谐振时引起的;工艺管件如阀、弯头、支管等使流动分离产生的;整个流动系统布置引起的以及混相流中某些流动流型引起的等等。目前流量测量标准还没有对非定常流干扰的抑制作定量规定的例子,ISOTR3313是ISO的一份技术报告,只作为参考文件用。
  现场由于上述工作条件的变化会产生附加不确定度,现场测量不确定度是基本不确定度和附加不确定度的合成,合成方法复杂多变,现场误差估计是一个非常复杂的问题,只有具备误差理论及流量测量专业知识的人员才能胜任。
  以下简介孔板流量计在其发展历程中进行过哪些实验室和现场试验研究工作,在AGA3号报告(第四版,2000年)中列举了1922~1999年孔板流量计试验研究的参考文献约240篇,这些资料反映了孔板流量计(请注意这里仅涉及标准节流装置的一种型式)在开发与应用中所遇到的一些问题及其研究成果。
  参考文献(A.2~A.31)可大致分为3个时期:30年代、40~60年代、80~90年代。
  
 1. 30年代(A.2~A.12)
  1924~1935年美国进行10年研究试验,研究项目达14项,对孔板流量计用于天然气流量测量的各种问题,包括制造、安装和使用各方面进行了大量试验研究,并且试验大部分是在天然气输气站上进行的,试验项目有阻流件干扰影响、高压下气体的压缩系数、可膨胀性系数、流动调整器的作用以及孔板的结构参数等。除天然气外,这一时期还进行实验室的水和蒸汽实验,其中最著名的一次试验是1932~1933年在俄亥俄州立大学进行的称为OSU89水的实验(OSU是俄亥俄州立大学工程实验站的简称),实验管径为1~14英寸共7种,β值0.04~0.85,共164块孔板,实验数据由美国国家标准局(NBS)E·Buckingham(白金汉)博士整理,提出流出系数的拟合方程,称为白金汉流出系数公式(发表时间为1935年5月,此公式一直使用到AGA3号报告第三版[1990年]才改为R-G(Reader-Harris/Gallagher)公式)。在此时期,出版了AGA1号报告(1930年)和AGA2号报告(1935年),总结了此时期一系列试验研究成果,为孔板标准化打下初步基础。
  
 2. 40~60年代(A.13~A.31)
  30年代是节流装置标准化初始阶段,一些问题还只进行初步探索。40~60年代国际上流量界集中很大一部分力量进行节流装置标准化急需的课题试验研究。仅在美国AGA3号报告就列举7项专题研究(A.13~A.19),对节流装置制造、安装和使用各个环节都开展深入的试验研究,这里列举的资料就超过60篇,涉及问题如孔板安装偏心度及变形(由于安装或高差压引起的),孔板几何形状与尺寸及表面状况的影响,确定抑制非充分发展管流干扰的上游直管段长度的规定,流动调整器型式研究等,试验介质亦不断扩展,除天然气、空气、水外,还有油、蒸汽等。50年代高压蒸汽的试验取得进展。此时期AGA3号报告正式出版(1955年),ISO颁布两个国际建议RS41(1967年)和R781(1968年),这些为制订节流装置国际标准打下基础。此时期实验室试验由美国NBS牵头,在OSU89的基础上继续进行。
  
 3. 80~90年代(A.20~A.31)
  此时期欧洲和美国开展大规模孔板流量计试验研究,最重要的两个实验计划为API实

发布时间:2008年3月7日 9:39  人气:  
更多内容请访问(江苏华海测控技术有限公司
相关链接

我有需求