流量仪表的准确度与安装直管段

近一二十年以来，在贸易化的背景下，经济领域中不少物质是通过流量仪表的计量进行核算的，买卖双方都不愿意承担因流量计量的误差所造成的经济损失，以价廉的水为例，如果某企业每日用水1万t，采用流量仪表误差±2%计量，则每年将可能多付近15万元水费；如是天然气、石油等昂贵的物质，损失将更突出，因而迫切需要提高流量仪表的准确度。对工控系统来说，过去曾认为流量仪表只要重复性好，无需准确度高。现在看来，这种观点已不能适应新的要求，如火电厂，由于不能准确地测量进风量，为保证锅炉炉膛不因缺氧造成燃烧不*而污染空气引起环保部门的查处，只得采取过量供气，其结果造成燃烧效率下降，每多供1%的过氧量就造成5%的过量空气被加热，造成了燃料、风机电能的浪费，从节能降耗角度出发也急待提高流量仪表的准确度。

    1 安装直管段长度是一个易忽视的重要因素

    流量仪表的生产厂家在技术文件中都注明了准确度，它应是在试验室经严格的程序标定后确定的，但在现场条件下，大多数流量仪表都难达到这个准确度。

    1.1 直管段长度对准确度的影响

    对绝大多数流量仪表来说（容积式、科式虽可除外，但口径未超过0.25m）流速分布对准确度有举足轻重的影响。、国内行业标准为此都明确规定了流量仪表前应有30D、后有5D的直管段长度（D为管内径），只有这样，管内的流速分布才能达到充分发展紊流，具有确定的分布规律，采用在试验室标定的流量系数，才可保证达到厂家所说的准确度^[1]_。但实际安装的现场，从工艺角度出发会有形形色色的各种阻力件（弯头、阀门、变径管、歧管??）其出口流速分布也是变化莫测、十分复杂的。从节约场地出发，也不可能安排流量仪表所需的如此长的直管段长度。因此，流量仪表在现场应用中所达到的准确度将远远低于厂家提供的数据。

    1.2 直管段长度不足长期被忽视

    直管段长度不足的问题长期被忽视，其原因在于流量仪表即使在现场直管段长度达不到规程要求所需的长度，仍会有输出，对一线的仪表工来说，仪表工作似仍“正常”，只是与必要的准确度相距甚远。犹如枪没了准星，仍可射击，只是子弹打不中靶心。这个问题对以测点速来推算流量的仪表（如双文丘利、插入式涡街、涡轮、热式）尤为突出，这类仪表的国标标准ISO07145^[2]，规定前直管段应具有（30～50）D的长度，才可能具有±3%的准确度。显然，在现场是很难满足的。

    2 流动调整器（flowconditioners）

    2.1 流动调整器可改善流速分布

    为解决现场直管段长度不足，又要保持流量仪表具有较高的准确度，标准化组织封闭管道流量专业委员会（ISOTC30）多年来一直建议采用图1所示的各类流动调整器^[3]_，如：管束（AGA/ASME、ISO、AGA、ASME??）、板孔（Mitsubishi）及组合式（Zanker、Sprenkle）。其中，组合式效果虽好，压损却数倍于前二种；而板孔结构简单，易于加工、安装、压损也较低、发展潜力较大。以上三类各有所长，选用需因地制宜。安装流动调整器可以在直管段长度达不到规范要求时，仍可保持流量仪表具有较高的准确度，但为什么长期以来并未得到预期的推广应用?

    2.2 采用流动调整器的利与弊

    采用流动调整器不仅仅会增加了成本及维护工作量，也需要一些现场直管段长度，如图1所示的管束结构，它本身就要求具有（2～4）D长度（D管内径），而安装前后又要求具有前（4～5）D，后（调整器与流量仪表间）（3～4）D，总共约10D，对于已经捉襟见肘的现场直管段长度很不现实，难以实现。其次还有以下的缺点，如：①增加了成本，一台复合式流动调整器的加工成本不亚于一台节流装置；②增加了安装、维修工作量，若流体中含有粉尘，或固相物、凝析物，长期使用又得不到及时清洗，则将沉积在水平调整器的下方，其结果反倒造成了速度分布的不对称后果，岂不画蛇添足，多此一举?③造成额外的压力损失??鉴于上述种种原因，虽经ISOTC30多年推荐，并未得到工程界广泛认同。但是，它所取得的整流效果，还是启发了业界的有志之士，为以后开发新型流量仪表提供了依据。

    （a）类用于消除旋涡，（b）类用于消除旋涡和改善中等程度速度分布畸变，（c）类用于消除旋涡和改善严重速度分布畸变。装用流动调整器会增加阻力，其压力损失与消除速度分布畸变而异，（a）类zui小，（c）类zui大。

    3 多孔平衡节流装置

    3.1 基本原理

    本文前面已阐述了采用流动调整器的利弊，由于它本身就需要一定的直管段长度制约了它的推广应用。在长期的实践过程中，人们发现缩小流动调整器与节流件之间的距离，对其整流效果影响不大，zui终推出了将整流器与节流件合二为一，即直接将整流器作为节流件的新型节流装置，这么做不仅节约了成本，还解决了已很局促的直管段长度。在此理念启发下，2002年美国Rosemount公司首先按类似AGA/ASME的四管整流器推出了称为调整孔板（Condi2tioningOrifice）的四孔孔板（图2a），据称可以将直管段长度缩短至2D，仍可维持较高准确度。

    3.2 多孔平衡流量装置

    在此基础上，2004年美国A+Flowtek公司又推出了17孔的多孔孔板（图2b）^[4]_，这17个孔分为三组，中心的一个孔孔径zui大，其余16孔分为二组，每组8孔，其圆心分处于2个不同的直径上，中间的8孔孔径次之，外围的孔径zui小。A+Flowtek公司称其为BalancedFlowmeter，译为平衡流量计，按其说明书，相关技术参数如下：准确度±0.15%；直管段要求：前0.5D、后0.5D；量程比：10:1；压力损失：Δω为30%。

    3.3 前直管段长度的表述

    对于以上这些技术参数是否如厂商宣传的那么值得商榷，也有待实践证实。特别有关所需直管长度的表述，行业中一般确定为自节流件前端面（即多孔孔板）至上游阻力件出口的距离为前直管段长度，而多孔平衡流量计是由多孔孔板与短管组合成一个整体供货的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量计进口法兰与阻力件之间的距离，平衡流量计的短管长度是（2～10D），是要占有现场直管段的，如此表述无论有意无意，效果是误导用户，而不是实事求是。

    4 多孔整流式节流装置

    基于技术的发展及市场的需求，天津市润泰自动化仪表有限公司自行研发了多孔整流式节流装置，并在第三方实验室进行了流出系数、前直管段长度等测试，测试数据表明，由天津市润泰自动化仪表有限公司研发的多孔整流式节流装置，在直管段较短情况下，具有较好的整流效果，值得推广，现将部分数据及相关说明分述如下：

    （1）名称：本装置的节流件是一个按一定规律布局的多孔孔板，其功能除节流外，还具有整流功能，故按其主要功能确定为多孔整流式节流装置。

    （2）实验设备：为某航天部门的水流量实验室，实验设备流量不确定度为0.05%，差压变送器准确度为0.075%，测试介质为水，测试管径为DN100。

    （3）β值的选定：建议β值取0.50～0.65之间，β值过大强度减弱、β值过大压损太大。

    （4）三种结构性能对比

    在前直管段长度约为30D的条件下，对三种结构的多孔节流装置进行了流出系数的重复性、不确定度、线性度进行了对比，数据表明A型（图3a）的各项技术指标优于B型（图2b）及C型（图3b）。因此，重点对A型多孔整流节流装置进行了不同前直管长度的测试。相关数据见表1。

    （5）前直管段长度：将A型整流节流装置进行三种直管段长度（30D、5D、2D）测试，阻力件为90°弯头，测试数据如表2所示。从表2的数据表明，A型节流件在前直管段仅2D时，流出系数与基准（30D）的流出系数之间的相对误差可控制在±1%以内；而当前直管段长度达到5D时，与基准流出系数之间相对误差即可小于±0.3%，说明其整流效果较好，适用于直管段不长而又要求较高准确度的现场。

    （6）*压损：由于流体通过多孔节流装置后不至于形成大漩涡而造成较大的*压损，在相同的β值条件下，应小于孔板，而大于文丘里，这个预测还有待试验证实。

    5 小结

    （1）应运而生的新型节流装置

    近10余年以来，从贸易结算、工业计量与控制都迫切需要一种对直管段长度要求不高而能维持较高准确度的流量仪表。内锥流量计因此曾风光一时，但无序的急于推广，不分场合的非理性选用，已造成了严重事故，应吸取教训，但不宜全盘否定，目前国内外推出的多孔节流装置，在结构强度上优于内锥，测试其数据也表明了较*的性能，值得逐步推广应用。

    （2）代理与生产仿制与创新

    应该承认，我国在工业自动化领域与国外尚有差距。改革开放以来，国内不少代理商将*产品、先进技术介绍到国内，确实起到一些推动技术进步的作用。但是国外的产品在垄断的情况下，价格都过于昂贵。为打破这一局面，不能满足于代理而应立足于自行生产，而生产又不能局限于仿制（内锥流量计应是一个教训）。认真学习了国外的先进技术，并通过应用中出现的问题，就会发现不少国外产品也不是那么，他们也在不断地改进、完善，我们为什么还满足于仿造别人早已落后的产品呢?在认真学习的基础上，*可以着手改进，创立具有我国独立知识产权的新产品