噴嘴流量計非標準應用研究
分析了噴嘴流量計測量工況蒸汽流量時(shí)，在其直管段長(cháng)度不能滿(mǎn)足標準規定的情況下，利用標定試驗和流場(chǎng)計算得出應用系統初步結論的過(guò)程。
1、概述
由于噴嘴流量計具有耐高溫高壓、耐沖擊、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)，在工業(yè)上仍然廣泛采用噴嘴流量計進(jìn)行蒸汽流量測量。在實(shí)際使用過(guò)程中，很多情況下直管段長(cháng)度難以滿(mǎn)足標準要求，這給測量準確度帶來(lái)較大影響。目前國內尚無(wú)公開(kāi)文獻資料對該情況提供準確測量數據，本文針對噴嘴流量計前直管段6D 開(kāi)展了相關(guān)試驗和計算，取得了初步的成果。
2、測量分析
流量測量系統采用ISA 1932 噴嘴流量計，管道尺寸為Ф219mm × 7mm，節流裝置直徑比β 為0.678 773。實(shí)際使用時(shí)在噴嘴流量計前設有三通和蝶閥，系統連接如圖1 所示。
(1) 流量測量
根據GB /T 2624 - 2006 要求，用噴嘴流量計測量充滿(mǎn)圓管的流體流量時(shí)，噴嘴流量計安裝在直管段的要求見(jiàn)表1。
當噴嘴流量計按照GB /T 2624 - 2006 的直管段要求使用時(shí)，測量精度完全能夠滿(mǎn)足設計要求，并且有充分的試驗數據和標準保證。但當噴嘴流量計的直管段長(cháng)度不能滿(mǎn)足GB /T 2624 - 2006 規定的要求時(shí)，目前在流量測量領(lǐng)域還沒(méi)有試驗數據和相關(guān)標準可以參考，只能根據具體的安裝情況進(jìn)行試驗和仿真計算。
表1 噴嘴流量計所要求的最小直管段長(cháng)度
1. 水流量標準裝置2、4. G219 × 7 3. 節流裝置5. 差壓變送器6. 三通7. 蝶閥
圖1 噴嘴流量計測量系統
由于標定條件的限制，噴嘴流量計的標定一般采用水流量標準裝置進(jìn)行，這是因為噴嘴的流出系數C 只與雷諾數有關(guān)，實(shí)測流出系數與理論流出系數的誤差大小直接反映噴嘴在實(shí)際工況時(shí)的測量精度。因此，只要雷諾數相同，不管用什么流體對節流裝置進(jìn)行標定，標定結果都是相同的，這也是采用水流量標準裝置對蒸汽流量測量節流裝置進(jìn)行標定的理論基礎。
式中C———噴嘴流出系數；β———節流裝置的直徑比( d /D)；ReD———雷諾數；D———管道內徑；v———管道中流體的平均軸向速度；υ———流體的運動(dòng)粘度
對于同樣的質(zhì)量流量，蒸汽對應的雷諾數較水對應的雷諾數要大得多，因此水流量標準裝置無(wú)法完成蒸汽流量測量節流裝置在全量程范圍內的標定，而只對其低量程段進(jìn)行標定，標定結果在高量程段適用。
(2) 標定試驗
為了分析噴嘴在實(shí)際安裝條件下的測量精確度，對噴嘴進(jìn)行了流量標定試驗，利用水流量標準裝置在最大范圍內對噴嘴的測量精度進(jìn)行了標定，并得到了不同直管段長(cháng)度下噴嘴的測量精度。標定試驗在上海儀器儀表自控系統檢驗測試所，根據JJG640 - 1994 要求，利用水流量標準裝置對噴嘴進(jìn)行了流量標定試驗。根據現場(chǎng)實(shí)際情況，將流量標定點(diǎn)設置為500m3 /h、460m3 /h、420m3 /h 和380m3 /h，試驗數據見(jiàn)表2。
表2 直管段1.2m 流出系數誤差及重復性誤差
(3) 流場(chǎng)計算
對于水流量標準裝置無(wú)法標定的工況，通過(guò)建立數字化模型對管道內蒸汽流動(dòng)的動(dòng)量修正系數進(jìn)行計算，分析高、低工況時(shí)蒸汽流場(chǎng)的分布，推導低工況時(shí)標定試驗所取得的測量精度在高工況時(shí)的有效性。蒸汽管道內的流場(chǎng)計算采用流體力學(xué)分析計算軟件Fluent。根據圖2 所示的蒸汽隔艙閥和噴嘴安裝情況，建立了基于realizable k - epsilon 紊流模型對內置雙蝶閥管道內部蒸汽流動(dòng)進(jìn)行定常數值模擬。
1. 噴嘴2. 三通3. 蝶閥
圖2 流場(chǎng)計算數學(xué)模型
流場(chǎng)計算時(shí)管道內徑為205mm( Ф219 × 7) 、蒸汽壓力為2. 1MPa( 表壓) 的飽和蒸汽。流場(chǎng)計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(cháng)度為1. 2m 的蒸汽流場(chǎng)分布計算和流體動(dòng)量修正系數計算。
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 處蒸汽管道內速度場(chǎng)分布
由圖3 可見(jiàn)，同一橫截面處，管道內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://likelearn.cn/)認為即蝶閥對流體流態(tài)的影響與流量大小基本無(wú)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α 衡量。一般而言，對于圓管紊流其動(dòng)量修正系數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)量修正系數如表3。
表3 動(dòng)量修正系數計算結果
從表3 可見(jiàn)，10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h 工況下各斷面的動(dòng)量修正系數均小于1. 016，處于圓管紊流( 動(dòng)量修正系數α 為1. 005 ～ 1. 05 之間) 的狀態(tài)。隨著(zhù)前直管段長(cháng)度的增加，管道內的動(dòng)量修正系數逐漸減小，蒸汽的速度不均勻度逐漸減小，流態(tài)越來(lái)越穩定。
3、結語(yǔ)
結合標定試驗和流場(chǎng)計算結果可見(jiàn)，在低工況下進(jìn)行標定試驗得出的流出系數誤差，在高工況時(shí)同樣適用。高工況下噴嘴流出系數誤差應與低工況基本一致，即低工況下的流量標定結果適用于全量程段。
