喷嘴流量计非标准应用研究

2014-09-12 刘洪生海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室

　　分析了喷嘴流量计测量工况蒸汽流量时，在其直管段长度不能满足标准规定的情况下，利用标定试验和流场计算得出应用系统初步结论的过程。

1、概述

　　由于喷嘴流量计具有耐高温高压、耐冲击、使用寿命长等特点，在工业上仍然广泛采用喷嘴流量计进行蒸汽流量测量。在实际使用过程中，很多情况下直管段长度难以满足标准要求，这给测量准确度带来较大影响。目前国内尚无公开文献资料对该情况提供准确测量数据，本文针对喷嘴流量计前直管段6D 开展了相关试验和计算，取得了初步的成果。

2、测量分析

　　流量测量系统采用ISA 1932 喷嘴流量计，管道尺寸为Ф219mm × 7mm，节流装置直径比β 为0.678 773。实际使用时在喷嘴流量计前设有三通和蝶阀，系统连接如图1 所示。

　　(1) 流量测量

　　根据GB /T 2624 - 2006 要求，用喷嘴流量计测量充满圆管的流体流量时，喷嘴流量计安装在直管段的要求见表1。

　　当喷嘴流量计按照GB /T 2624 - 2006 的直管段要求使用时，测量精度完全能够满足设计要求，并且有充分的试验数据和标准保证。但当喷嘴流量计的直管段长度不能满足GB /T 2624 - 2006 规定的要求时，目前在流量测量领域还没有试验数据和相关标准可以参考，只能根据具体的安装情况进行试验和仿真计算。

表1 喷嘴流量计所要求的最小直管段长度

喷嘴流量计所要求的最小直管段长度

喷嘴流量计测量系统

1. 水流量标准装置2、4. G219 × 7 3. 节流装置5. 差压变送器6. 三通7. 蝶阀

图1 喷嘴流量计测量系统

　　由于标定条件的限制，喷嘴流量计的标定一般采用水流量标准装置进行，这是因为喷嘴的流出系数C 只与雷诺数有关，实测流出系数与理论流出系数的误差大小直接反映喷嘴在实际工况时的测量精度。因此，只要雷诺数相同，不管用什么流体对节流装置进行标定，标定结果都是相同的，这也是采用水流量标准装置对蒸汽流量测量节流装置进行标定的理论基础。

喷嘴流量计非标准应用研究

　　式中C———喷嘴流出系数；β———节流装置的直径比( d /D)；ReD———雷诺数；D———管道内径；v———管道中流体的平均轴向速度；υ———流体的运动粘度

　　对于同样的质量流量，蒸汽对应的雷诺数较水对应的雷诺数要大得多，因此水流量标准装置无法完成蒸汽流量测量节流装置在全量程范围内的标定，而只对其低量程段进行标定，标定结果在高量程段适用。

　　(2) 标定试验

　　为了分析喷嘴在实际安装条件下的测量精确度，对喷嘴进行了流量标定试验，利用水流量标准装置在最大范围内对喷嘴的测量精度进行了标定，并得到了不同直管段长度下喷嘴的测量精度。标定试验在上海仪器仪表自控系统检验测试所，根据JJG640 - 1994 要求，利用水流量标准装置对喷嘴进行了流量标定试验。根据现场实际情况，将流量标定点设置为500m3 /h、460m3 /h、420m3 /h 和380m3 /h，试验数据见表2。

表2 直管段1.2m 流出系数误差及重复性误差

直管段1. 2m 流出系数误差及重复性误差

　　(3) 流场计算

　　对于水流量标准装置无法标定的工况，通过建立数字化模型对管道内蒸汽流动的动量修正系数进行计算，分析高、低工况时蒸汽流场的分布，推导低工况时标定试验所取得的测量精度在高工况时的有效性。蒸汽管道内的流场计算采用流体力学分析计算软件Fluent。根据图2 所示的蒸汽隔舱阀和喷嘴安装情况，建立了基于realizable k - epsilon 紊流模型对内置双蝶阀管道内部蒸汽流动进行定常数值模拟。

流场计算数学模型

1. 喷嘴2. 三通3. 蝶阀

图2 流场计算数学模型

　　流场计算时管道内径为205mm( Ф219 × 7) 、蒸汽压力为2. 1MPa( 表压) 的饱和蒸汽。流场计算完成了蒸汽流量分别为10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h时，直管段长度为1. 2m 的蒸汽流场分布计算和流体动量修正系数计算。

　　蒸汽流量分别为10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h时，直管段1. 2m 处蒸汽流场分布如图3 所示。

直管段1 200mm 处蒸汽管道内速度场分布

(a) 流量为10t /h (b) 流量为24. 9t /h(c) 流量为58t /h (d) 流量为83t /h

图3 直管段1 200mm 处蒸汽管道内速度场分布

　　由图3 可见，同一横截面处，管道内蒸汽流量处于不同工况时，其流体流态基本一致，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为即蝶阀对流体流态的影响与流量大小基本无关。流体在管道中速度分布的均匀程度可用动量修正系数α 衡量。一般而言，对于圆管紊流其动量修正系数α 为1. 005～ 1. 05 之间，α 越小则断面速度分布越均匀，流体流场越稳定。

喷嘴流量计非标准应用研究

　　式中A———管道截面积；u———流向速度；U———截面质量平均速度

　　蒸汽流量分别为10t /h、24. 9t /h、58t /h 及83t /h时，1. 2m 处的动量修正系数如表3。

表3 动量修正系数计算结果

动量修正系数计算结果

　　从表3 可见，10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h 工况下各断面的动量修正系数均小于1. 016，处于圆管紊流( 动量修正系数α 为1. 005 ～ 1. 05 之间) 的状态。随着前直管段长度的增加，管道内的动量修正系数逐渐减小，蒸汽的速度不均匀度逐渐减小，流态越来越稳定。