流量計直管段適用長度的探討

謝林，殷家云，紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1. 上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

1 概 述

流量計如果安裝不合理，往往會引起較大誤差。在流量儀表的安裝中，困擾設(shè)計師和現(xiàn)場施工人員的棘手問題通常是直管段長度不夠，下面就該問題展開討論。

目前常用的流量計約有一百種，除了容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計之外[1-2]，其他流量計均對前后直管段有特定的要求。這是因為大部分流量計的流量系數(shù)是在充分發(fā)展的管流條件下標(biāo)定得到的，在現(xiàn)場應(yīng)用這些流量計時，也只有在充分發(fā)展的管流條件下，才能保證測量精確度。

所謂充分發(fā)展的管流，就是具有充分發(fā)展的速度分布的管流。在流動過程中，沿流向從1個橫截面到另1個橫截面速度分布不發(fā)生變化，稱為充分發(fā)展的速度分布，它通常是在足夠長的直管段末端才能形成。

管道設(shè)計不當(dāng)會造成流體的擾動，引發(fā)速度分布變形或產(chǎn)生漩渦，前者來自閥門或彎頭，漩渦多來自2個以上不同平面的彎頭，只有在流量計前后留有足夠長的直管段或安裝特制的整流器才能克服這些影響。

2 直管段長度要求

1) 由于流量計的原理和結(jié)構(gòu)各不相同，因而不同類型的流量計對直管段長度的要求也不同，表1列出幾種常用流量計對上游直管段的要求[3-6]。

表1 流量計前直管段長度的一般要求(90°彎，無流動調(diào)整器)

2) 流量計上游引發(fā)流場畸變的管件(或阻流件)不同，對直管段長度的要求也不同。表2列出標(biāo)準(zhǔn)孔板完整的直管段要求。表2中的數(shù)據(jù)是研究者根據(jù)一百多年對孔板流量計試驗研究歸納總結(jié)得到的，因此既全面又可靠。

3 直管段長度不夠?qū)y量結(jié)果的影響

總的來說，直管段長度不夠時流量測量不確定度相應(yīng)增大，但是增大多少以及由此引起的附加誤差是正向還是負(fù)向，需要具體分析。到目前為止，只有個別類型的流量計有人做過為數(shù)不多的試驗，得到了一些零星的數(shù)據(jù)。

圖1所示是日本富士公司提供的單聲道外夾式超聲流量計上游直管段長度不夠引起的附加誤差曲線[8]。從曲線形狀分析，上游彎頭應(yīng)是在最不利的方位，如果上游彎頭在有利的方位(彎頭與聲道在同一個平面)，附加誤差應(yīng)當(dāng)小得多。

圖1 單聲道外夾式超聲流量計上游直管段長度不夠引起的附加誤差曲線

圖2所示是美國丹尼爾公司(Daniel)和諾娃公司(NOVA)所做的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計上游直管段長度不夠引起的附加誤差曲線[9]，從圖中的數(shù)據(jù)分析，被試差壓裝置應(yīng)是環(huán)室取壓，如果是2.54cm(1 in)法蘭取壓或徑距取壓，附加誤差要大得多。

圖2 前直管段長度對孔板流出系數(shù)的影響

如果是徑距取壓，由于上游彎頭與取壓口之間相互位置的不同，會有三種不同的結(jié)果：

1) 當(dāng)取壓口處于彎管的外圈時，流出系數(shù)趨小，引起正向附加誤差，如圖3所示。

圖3 取壓口處于外圈

2) 當(dāng)取壓口處于彎管內(nèi)圈時，流出系數(shù)趨大，引起負(fù)向附加誤差，如圖4所示。

圖4 取壓口處于內(nèi)圈

3) 當(dāng)取壓口處于與彎管所在的平面垂直時，流出系數(shù)的偏移應(yīng)比前兩種情況小得多，如圖5所示。

圖5 取壓口與90°彎垂直

因此，在確定取壓口方位時，應(yīng)考慮最有利的方案。在上面的分析中，直管段長度不夠引起的附加誤差幅值還與節(jié)流件的直徑比β有關(guān)，其中β較小時，相同的直管段倍數(shù)引起的附加誤差要小一些。

表2 無流動調(diào)整器情況下孔板與管件之間所需的直管段

4 直管段長度不夠時的處理

作為自控工程設(shè)計人員，在施工圖設(shè)計時，總是要為流量計尋找一個理想的安裝地點，其中就包括解決直管段長度問題，但有時由于場地限制，無法保證直管段長度。在既有的管道上增設(shè)流量計更是如此，因為在管道鋪設(shè)時，基本不會預(yù)留安裝流量計的位置，所以保證直管段長度會成為面臨的棘手問題。根據(jù)各種具體情況，有下面幾個方法可供選擇。

1) 管線繞道法。圖6所示為工業(yè)鍋爐產(chǎn)汽流量渦街流量計安裝俯視圖。

圖6 渦街流量計及前后直管段

鍋爐上汽包主蒸汽管垂直升高后，經(jīng)1個90°彎頭就在爐頂以水平方向鋪設(shè)，由于既有的管道安裝了1臺DN150的渦街流量計直管段長度不能滿足要求，因而最簡單有效的方法是與設(shè)備專業(yè)人員協(xié)商，將既有管道進(jìn)行改裝，例如將圖6中的管段a改為b，c，d，如圖7所示。由于直管段加長了一段d，從而滿足了直管段要求。

2) 讓步法。所謂讓步法就是對某項指標(biāo)作出讓步，該方法在產(chǎn)品質(zhì)量管理中是普遍使用的。例如在化工生產(chǎn)中，從流程末端流出的產(chǎn)品達(dá)不到一級品指標(biāo)，但能達(dá)到二級品指標(biāo)，于是就作二級品入庫銷售，而不是將其報廢，這樣在經(jīng)濟(jì)上比較劃算。

圖7 管線繞道后的配管示意

在流量計使用現(xiàn)場，如果直管段長度無論如何也不能滿足要求，流量測量結(jié)果也不是用于貿(mào)易結(jié)算，而是用于一般監(jiān)測或過程控制，可嘗試采用讓步法。例如表2標(biāo)準(zhǔn)所列的直管段長度中，A列的數(shù)據(jù)是達(dá)到0.5%不確定度必須滿足的直管段長度，如果用戶肯將不確定度讓步到1%，則滿足B列直管段長度即可，這樣就使直管段長度要求大幅降低。其他類型的流量計，也可參考該表格。

3) 在有直管段要求的各種類型流量計中，流量傳感器在管道上的安裝方位同測量結(jié)果的關(guān)系，有些不受上游彎頭方向的影響，例如渦輪流量計和環(huán)室取壓差壓流量計，但大多數(shù)類型的流量計都對上游彎頭方向很敏感，例如圖1所示的外夾式單聲道超聲流量計[10]，圖3～圖5所示的差壓流量計以及圖6所示的渦街流量計，因而應(yīng)將流量傳感器在管道上的安裝方位選擇在最有利的位置。

a) 以差壓式流量計為例，圖8所示為取壓口位置示意。取壓口的取向應(yīng)考慮被測流體為液體時，應(yīng)防止氣體進(jìn)入導(dǎo)壓管；被測流體為氣體時，應(yīng)防止液滴或污物進(jìn)入導(dǎo)壓管。當(dāng)測量管道為垂直時，取壓口在取壓位置的平面上，方向可任意選擇，即α可大可小，選擇的范圍就大了。

圖8 取壓口位置安裝示意(徑向)

b) 在圖6所示的渦街流量計實例中，業(yè)主單位沒有選擇管線繞道的方法，而是選擇了將旋渦發(fā)生體旋轉(zhuǎn)90°，即將接線盒安裝在水平管道的側(cè)面，收到了很好的效果[9]，經(jīng)質(zhì)量平衡驗證和能量平衡驗證，達(dá)到很高的精確度。

c) 在圖9中，將旋渦發(fā)生體旋轉(zhuǎn)90°后直管段長度不夠也不影響測量精確度，這是因為渦街流量計在出廠前都經(jīng)過實流標(biāo)定，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的直管段都相當(dāng)長，所以流量計前管道內(nèi)流體的速度分布是對稱的，也不存在旋渦。圓形流通截面中流速最高點與軸心重合，1臺渦街流量計的流量系數(shù)就是在這樣的條件下標(biāo)定出來的。

圖9 取壓口位置安裝示意(俯視)

d) 在圖10中，流體在管道內(nèi)高速流動，由于流體的離心力作用，流場產(chǎn)生畸變，使最高流速向圖的下方偏移，這種偏移使最高流速點不再對準(zhǔn)旋渦發(fā)生體的中心，從而使流量計的旋渦剝離頻率相對減小，引起儀表示值偏低。

圖10 管道內(nèi)的流場分布與發(fā)生體位置

而當(dāng)旋渦發(fā)生體的方向被旋轉(zhuǎn)90°后，流場的畸變情況雖然無變化，但最高流速點卻對準(zhǔn)了發(fā)生體的中心線，如圖11所示。

圖11 旋渦發(fā)生體處于水平位置

該方法對安裝在垂直管道上的電磁流量計、單聲道超聲流量計也完全適用，但對安裝在水平管道上的電磁流量計和單聲道超聲流量計就要適當(dāng)修正才能應(yīng)用。因為電磁流量計不允許將電極安裝在水平管道的上方和下方，如果電極被布置在水平管道的水平直徑方向則處于最不利的位置，可將1對電極所組成的連線在圓周方向旋轉(zhuǎn)45°。單聲道超聲流量計如果1對換能器被布置在水平管道的水平直徑方向也處于最不利的位置，則可將1對換能器之間的聲道所組成的平面在圓周方向旋轉(zhuǎn)45°，這樣處理雖然效果比不上旋轉(zhuǎn)90°，但比最不利的位置要好得多。

4) 加裝流動調(diào)整器。流動調(diào)整器可用于減少上游直管段長度。配合性實驗表明，它可以用在任何上游管件的下游。目前在ISO 5167正文中只列入2種流動調(diào)整器： 19根管束式流動整直器(1998)和Zanker流動調(diào)整板，流動調(diào)整器在標(biāo)準(zhǔn)中列有適用的節(jié)流件和阻流件類型以及具體的安裝位置等。

5) 選用直管段要求低的流量計。由于各種不同類型的流量計對直管段長度的要求差異懸殊，如果原來所選的流量計直管段要求較長，而且無論如何也滿足不了要求，應(yīng)改選直管段長度要求較低的型號。

6) 對影響值進(jìn)行評估。直管段長度不夠時，流量計不確定度增大，是由于管道內(nèi)的速度分布畸變，使得儀表的實際流量系數(shù)與出廠標(biāo)定時的流量系數(shù)不一致。

如果按照現(xiàn)場實際的管件種類和直管段長度組裝成1套帶前后管段的流量計，放在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，標(biāo)定出該臺儀表的流量系數(shù)，然后配套使用，并使用此流量系數(shù)計算流量，也就完全排除了直管段長度不夠?qū)y量結(jié)果的影響。該方法在鉆井平臺等場地有限的場合，經(jīng)常采用。

5 結(jié)束語

在種類繁多的流量計中，通常對流量計前后直管段有特定的要求。由于工作原理的不同，對直管段長度的要求也不同；阻流件的類型不同，對直管段長度的要求也不同，設(shè)計時應(yīng)區(qū)別對待。

在遇到直管段長度不夠時，針對不同的現(xiàn)場情況和流量計的不同用途，可分別采用管線繞道法、降低精確度指標(biāo)法、加裝流動調(diào)整器法、選擇最有利的安裝方位法以及改選直管段長度要求較低的流量計等方法，使問題得到解決。

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