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  • 均速管流量计优缺点分析(转载)
  • 2019-11-06
  • 均速管流量计(国外称Annubar、Torbar、Probar、verabar、itabar……等),问世已三十余年,名称不同,截面各异,但都是基于皮托管测速原理,以测管道中直线上几点流速来推算流量的一种插入式流量仪表。它具有结构简单,价格低廉,装、拆方便,压损小等特点。从耗材少、运行费用低二方面来看都是一种节能仪表,在当前大力倡导建设节约型经济情况下,是一种值得推荐的流量仪表。

    一、均速管流量计基本原理
      流量Q是单位时间s通过管道中某一截面A的流体体积m3(或质量kg),即Q= m3/s=m2·m/s=A·V
    因此,流量也可变换为管道截面A与流速V的乘积。但工业管道中的流速通常不是常数,只有将截面划分为许多单元面积Ai,乘以通过Ai的流速Vi,即流量Q=,但这种方法过于繁琐。幸好无论管道中流速分布多么复杂,在较长的直管段(一般应为30倍直径)后,在流体的粘性作用下,管内的流速分布将呈现对称于圆心的充分发展紊流。在这种情况,只需测直径方向上几点的流速,就可以准确地推算流量值。
      采用皮托管测速原理,通过测流体的总静压,运用柏努利方程就可测量流体的流速值。均速管沿管道直径方向插入管道,迎流向有数对总压孔,由于流速不等,所测总压也不相等,在高压腔内平均后,通过高压阀接入变送器高压端;背流向一侧有数对背压孔,所测背压(如处于位流各背压值应基本相等)在低压腔平均后,通过低压阀接至变速器低压端,如忽略一些影响不大的因素,均速管的流量计算公式可表示为
      ……①
      式①中:Q为流量(m3/h);C为系数取决于各参数的单位;
      D为管道内径(m);ΔP平均后的高低压之差(Pa);
      ζ流体密度(kg/m3)。

    二、均速管流量计主要特点
    1、结构简单、重量轻巧,总共仅10多个零件。
    2、适应范围宽阔。可适用于多种流体(气、液、蒸汽);口径自25毫米至9米,压力上限可达40mPa;温度上限1000℃。
     3、节能显著。不可恢复压损仅为孔板的几十分之一,年运行费用为孔板的1/40~1/50。
     4、安装简便。仅需在管道上钻一个约40毫米圆孔,焊上安装座即可,不断流型可在低压情况下,不中断流程进行装、拆。
     5、长期稳定性好。无可动部件。准确度不受粘污、腐蚀等的影响。在可保证直管段长度情况下可达±1%;在直管段长度达不到要求时,重复性也可达到0.2%,适用于工控系统。
     6、准确度。在直管段长度无法满足时,由于具有取样性质,准确度难以高于±2%~3%,不宜作为计量仪表,特别是贸易核算情况。
     7、防堵性。早期均速管,仅通过一细管取背压,易于堵塞,要求流体洁净度较高,新型均速管背压采用多点,且空腔较大,可改善易堵塞情况。

    三、目前常用的几种均速管流量计
      均速管在上世纪60年代末期推向市场,*早检测杆截面为圆形,后发现流体在雷诺数Re<105时,在圆截面上分离点为78°;而Re>106时,分离点将转为130°,当Re处于105~106之间时,分离点不确定,因而使流量系数有近±10%的偏差。在70年代末期,国内外逐渐推出了分离点确定的菱形截面检测杆(国外称钻石Diamond)以取代圆截面。目前常用的有以下几种:
     1、菱形—Ⅰ型(图2a),由美国DSI公司1978年推出。由于均速管一般使用在位流中,即管道横截面上没有横向流动,背压应相等,可仅取一点背压,用一根内径约3毫米的细管引至变送器,但现场流体大多不够洁净,常有堵塞故障发生。目前国内仍有厂家生产,国外早已弃而不用。
     2、托巴管(图2b),由英国托巴(TFL)流量计公司1985年推出。在圆形检测杆上铣一个六角形,迫使流体在六角处分离。它与菱形—Ⅰ型没有本质的区别。至于说到其内部有“独特”的二次平均结构,就是菱形—Ⅰ型早期采用过的总压引出管,实践证明,不仅没有什么优异的性能,反而增大易于堵塞的弊病,这种结构早被国内外生产厂商所淘汰。国内某厂也推一种托巴管,其实就是在每个总压检测孔上焊一个弹头,检测杆仍为圆形。它既没有弹头型控制附面层的优点;又保留了圆截面分离点不确定的缺点。匠心何在?难以理解!
     3、菱型—Ⅱ型
      总压、背压检测孔均采用2~4对,在高、低压腔中平均后,分别引至差压变送器高低压端。美国DSI公司1984年推出的Probar均速管(图2c-1),它由三个型材(一个菱形、二个三角形)组合成检测杆。而德国intra-automation公司于上世纪90年代推出了一体化结构(图2C—2),称为Itabar均速管,检测杆内用隔板分为高低二个压力腔,强度好且不易泄漏,如采用高强度耐热钢,耐压可达40mPa,耐温可达1000℃。Probar及Itabar的检测杆都采取了复合结构,可将温度变送器插入检测杆组成一体化智能质量流量计。
     4、弹头型(图2D)
      1992年由美国Veris公司推出,称为Verabar(威力巴)。
      Verabar在其弹头前端表面做了粗糙处理(x/Ks≈200),认为这样处理后可保证形成紊流附面层,提高测量准确度。附面层由层流转变为紊流虽会影响准确度,但这种影响相对其他因素来说是微不足道的,而弹头形及静压点的位置,却使其输出差压相对其他类型均速管偏低不少,影响了它在低密度、低流速情况下的选用。
     5、T型(图2E)
      2001年由美国DSI公司推出T型结构正对流向,有二排密集的总压检测孔(直径约2mm)或取压槽,背流向一测采用了二排背压孔。认为这样的设计可获得“更多”的速度分布,有利于提高准确度。其实总压孔即或是密集到变成了槽口,也只能测管道中某一直径方向的流速。而在直管道不够长,直径方向上的流速分布不足以反映整个截面时,这种设计毫无意义。用槽口代替总压孔,在几十年前就出现过,并未推行说明没有实用价值。其次,采用较小的总压孔(或槽)却易于堵塞,事实上并非如厂商所说T形检测杆正前方形成了高压区,粉尘不易进入。如真是这样,汽车挡风玻璃板上还有必要用雨刷吗?

    四、定位——适用于检测、监控系统
      均速管流量计优点不少,如节能、结构简单、安装方便……,但正所谓“福兮祸所伏,祸兮福所倚”,这些优点也不可避免地会带来一些不足之处,如准确度不够高,易堵塞等。如前所述,均速管是一种插入式,具有取样性质的仪表,在直管段不能达到要求时,无论采用什么形式的检测杆都难以达到厂商所宣传的±1%*度,而重复性却可优于0.5%。
      20多年前,W·Rahmeyer等人已进行了验证。他们将均速管安装在阻力件(阀门、弯头……)后2~12D,即在非充分发展紊流条件下进行了系统的试验。试验表明,在直管段小于4~5D时,流量系数的偏差可达到±8%以上,而重复性却可优于1%。说明对于均速管这种取样性质的仪表,直管段长度对其准确度的影响至关重要,而对重复性的影响却微不足道!
      在实际应用中,由于均速管特别适用于大管道,一般情况都难以保证足够长的直管段,即无法具有较高的准确度,均速管在流程工业中还有无立足之地?仪表一般有以下三种用途:
      ① 用于贸易、经济核算的计量,准确度应放在首位。
      ② 用于工控系统作为信号源头的检测,重复性是主要的。
      ③ 用于监控工艺流程是否正常工作,可靠性是优先考虑的。
      例如:对于一个锅炉的燃烧系统,必需测空气流量来调控燃料量,以保证*佳的空气燃料比。这时如用均速管测空气,只要它的输出能反映空气的变化,二者呈一一对应的单值函数关系,不随意变化,即重复性好就可以了。至于空气的*量,人们无需知道。其次,均速管也适用于监控工艺流程是否正常,如我国西气东输1米直径的干线,并不涉及计量收费问题,所用的96支干线流量计,就采用了50支均速管(占52%)。
      在大口径的流量检测、监控系统中,均速管以其显著的节能效果,优异的性价比,常作为*仪表。

    五、小结——扬长避短,各取所需
      流量仪表由于影响因素较多,相应的品种也十分多,当前还没有一种流量仪表可取代其他仪表而一统天下,对于每一种仪表来说都只能扬长避短,在己之长的领域中发挥作用。业界专家*近指出,由于准确度不够,均速管不宜作为计量、贸易结算的仪表,并建议:①将国内外均速管检测件选用一种作为标准形式;②建立流量系数数据库;③对现场安装条件进行试验研究。这些建议看来诱人,但实施却有难度,它由谁组织?由谁埋单?
      近年来,有些流量仪表发展很快,据“Flow·Research”报告分析,近五年超声及哥氏流量计年销售增长率分别为10.4%及 6.9%。这二种仪表准确度都可达到±0.5%以上,完全可以胜任计量、贸易结算。均速管的研究、生产厂商应克服“家有弊帚,享之千金”的心态,莫将这种插入式仪表一定要用于计量、贸易结算领域,能不断总结应用中的问题,勇于创新,能在检测、监控领域中充分用好均速管,就是很大的贡献。


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