噴嘴流量計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用研究

　　分析了噴嘴流量計(jì)測(cè)量工況蒸汽流量時(shí)，在其直管段長(zhǎng)度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況下，利用標(biāo)定試驗(yàn)和流場(chǎng)計(jì)算得出應(yīng)用系統(tǒng)初步結(jié)論的過程。

1、概述

　　由于噴嘴流量計(jì)具有耐高溫高壓、耐沖擊、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在工業(yè)上仍然廣泛采用噴嘴流量計(jì)進(jìn)行蒸汽流量測(cè)量。在實(shí)際使用過程中，很多情況下直管段長(zhǎng)度難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這給測(cè)量準(zhǔn)確度帶來較大影響。目前國(guó)內(nèi)尚無公開文獻(xiàn)資料對(duì)該情況提供準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)，本文針對(duì)噴嘴流量計(jì)前直管段6D 開展了相關(guān)試驗(yàn)和計(jì)算，取得了初步的成果。

2、測(cè)量分析

　　流量測(cè)量系統(tǒng)采用ISA 1932 噴嘴流量計(jì)，管道尺寸為Ф219mm × 7mm，節(jié)流裝置直徑比β 為0.678 773。實(shí)際使用時(shí)在噴嘴流量計(jì)前設(shè)有三通和蝶閥，系統(tǒng)連接如圖1 所示。

　　(1) 流量測(cè)量

　　根據(jù)GB /T 2624 - 2006 要求，用噴嘴流量計(jì)測(cè)量充滿圓管的流體流量時(shí)，噴嘴流量計(jì)安裝在直管段的要求見表1。

　　當(dāng)噴嘴流量計(jì)按照GB /T 2624 - 2006 的直管段要求使用時(shí)，測(cè)量精度完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并且有充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)保證。但當(dāng)噴嘴流量計(jì)的直管段長(zhǎng)度不能滿足GB /T 2624 - 2006 規(guī)定的要求時(shí)，目前在流量測(cè)量領(lǐng)域還沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以參考，只能根據(jù)具體的安裝情況進(jìn)行試驗(yàn)和仿真計(jì)算。

表1 噴嘴流量計(jì)所要求的最小直管段長(zhǎng)度

1. 水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置2、4. G219 × 7 3. 節(jié)流裝置5. 差壓變送器6. 三通7. 蝶閥

圖1 噴嘴流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)

　　由于標(biāo)定條件的限制，噴嘴流量計(jì)的標(biāo)定一般采用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行，這是因?yàn)閲娮斓牧鞒鱿禂?shù)C 只與雷諾數(shù)有關(guān)，實(shí)測(cè)流出系數(shù)與理論流出系數(shù)的誤差大小直接反映噴嘴在實(shí)際工況時(shí)的測(cè)量精度。因此，只要雷諾數(shù)相同，不管用什么流體對(duì)節(jié)流裝置進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果都是相同的，這也是采用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)蒸汽流量測(cè)量節(jié)流裝置進(jìn)行標(biāo)定的理論基礎(chǔ)。

　　式中C———噴嘴流出系數(shù)；β———節(jié)流裝置的直徑比( d /D)；ReD———雷諾數(shù)；D———管道內(nèi)徑；v———管道中流體的平均軸向速度；υ———流體的運(yùn)動(dòng)粘度

　　對(duì)于同樣的質(zhì)量流量，蒸汽對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)較水對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)要大得多，因此水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置無法完成蒸汽流量測(cè)量節(jié)流裝置在全量程范圍內(nèi)的標(biāo)定，而只對(duì)其低量程段進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果在高量程段適用。

　　(2) 標(biāo)定試驗(yàn)

　　為了分析噴嘴在實(shí)際安裝條件下的測(cè)量精確度，對(duì)噴嘴進(jìn)行了流量標(biāo)定試驗(yàn)，利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在最大范圍內(nèi)對(duì)噴嘴的測(cè)量精度進(jìn)行了標(biāo)定，并得到了不同直管段長(zhǎng)度下噴嘴的測(cè)量精度。標(biāo)定試驗(yàn)在上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所，根據(jù)JJG640 - 1994 要求，利用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)噴嘴進(jìn)行了流量標(biāo)定試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將流量標(biāo)定點(diǎn)設(shè)置為500m3 /h、460m3 /h、420m3 /h 和380m3 /h，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 直管段1.2m 流出系數(shù)誤差及重復(fù)性誤差

　　(3) 流場(chǎng)計(jì)算

　　對(duì)于水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置無法標(biāo)定的工況，通過建立數(shù)字化模型對(duì)管道內(nèi)蒸汽流動(dòng)的動(dòng)量修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析高、低工況時(shí)蒸汽流場(chǎng)的分布，推導(dǎo)低工況時(shí)標(biāo)定試驗(yàn)所取得的測(cè)量精度在高工況時(shí)的有效性。蒸汽管道內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算采用流體力學(xué)分析計(jì)算軟件Fluent。根據(jù)圖2 所示的蒸汽隔艙閥和噴嘴安裝情況，建立了基于realizable k - epsilon 紊流模型對(duì)內(nèi)置雙蝶閥管道內(nèi)部蒸汽流動(dòng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬。

1. 噴嘴2. 三通3. 蝶閥

圖2 流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

　　流場(chǎng)計(jì)算時(shí)管道內(nèi)徑為205mm( Ф219 × 7) 、蒸汽壓力為2. 1MPa( 表壓) 的飽和蒸汽。流場(chǎng)計(jì)算完成了蒸汽流量分別為10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h時(shí)，直管段長(zhǎng)度為1. 2m 的蒸汽流場(chǎng)分布計(jì)算和流體動(dòng)量修正系數(shù)計(jì)算。

　　蒸汽流量分別為10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h時(shí)，直管段1. 2m 處蒸汽流場(chǎng)分布如圖3 所示。

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

圖3 直管段1 200mm 處蒸汽管道內(nèi)速度場(chǎng)分布

　　由圖3 可見，同一橫截面處，管道內(nèi)蒸汽流量處于不同工況時(shí)，其流體流態(tài)基本一致，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為即蝶閥對(duì)流體流態(tài)的影響與流量大小基本無關(guān)。流體在管道中速度分布的均勻程度可用動(dòng)量修正系數(shù)α 衡量。一般而言，對(duì)于圓管紊流其動(dòng)量修正系數(shù)α 為1. 005～ 1. 05 之間，α 越小則斷面速度分布越均勻，流體流場(chǎng)越穩(wěn)定。

　　式中A———管道截面積；u———流向速度；U———截面質(zhì)量平均速度

　　蒸汽流量分別為10t /h、24. 9t /h、58t /h 及83t /h時(shí)，1. 2m 處的動(dòng)量修正系數(shù)如表3。

表3 動(dòng)量修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果

　　從表3 可見，10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h 工況下各斷面的動(dòng)量修正系數(shù)均小于1. 016，處于圓管紊流( 動(dòng)量修正系數(shù)α 為1. 005 ～ 1. 05 之間) 的狀態(tài)。隨著前直管段長(zhǎng)度的增加，管道內(nèi)的動(dòng)量修正系數(shù)逐漸減小，蒸汽的速度不均勻度逐漸減小，流態(tài)越來越穩(wěn)定。

3、結(jié)語

　　結(jié)合標(biāo)定試驗(yàn)和流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可見，在低工況下進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)得出的流出系數(shù)誤差，在高工況時(shí)同樣適用。高工況下噴嘴流出系數(shù)誤差應(yīng)與低工況基本一致，即低工況下的流量標(biāo)定結(jié)果適用于全量程段。