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  时间:2023-1-12 08:59:59

不同介质下涡街流量计计量性能

[摘要]本文针对涡街流量计在不同介质下的计量性能,依据流体力学,通过理论分析得出对于可压缩流体介质须考虑其可压缩性对涡街流量计的影响,为此选用四台不同口径的涡街流量计,在雷诺数相似准则指导下进行了实流标定实验,得到水、空气和蒸汽介质下的标定仪表系数,结果表明:介质可压缩性和涡街流量计几何尺寸是影响涡街流量计计量性能的重要因素,不同介质下涡街流量计的标定仪表.系数不同,不可压缩流体水介质下的标定系数不能直接应用到可压缩流体蒸汽介质上,须进行修正,介质可压缩性和涡街流量计几何尺寸可作为修正因子。
引言
  涡街流量计由于其耐高温、压损小的特点,被广泛应用于蒸汽流量计量领域中。对用于蒸汽计量的涡街流量计进行量值溯源时,通常使用三种标定介质:蒸汽、水和空气。以蒸汽作为检定介质进行实流标定,其优点是装置检测条件与被检流量计的实际使用工况接近,但由于蒸汽实流检测装置设计难度大、运行成本高、安全性差等的限制,实际应用很少。通常认为在--定雷诺数范围内,涡街流量计旋涡分离频率对被测流体压力、温度、粘度和组分变化不敏感,在几何相似和动力相似条件下,可用一一种典型介质(水或空气)进行标定。因此实际检定工作中基本使用基于水介质或者空气介质的检测装置进行标定。以上关于涡街流量计不受流体介质种类影响的假设是基于涡街流量计原理公式的理论分析,目前并无实验数据支撑。
  针对涡街流量计在不同流体介质下的计量特性,研究人员进行了大量研究。如许文达等叫通过对涡街流量计在空气、水和蒸汽介质下的比对实验,分析了涡街流量计仪表系数和测试介质的关系,得到了三种介质下仪表系数的规律性偏差,提出了针对温度和介质可压缩性的系数修正计算方法。许文达等可从流体力学理论研究出发,分析了介质可压缩性对涡街流量计计量特性的影响,并通过实流测试和CFD仿真分析研究了空气和水介质下的仪表系数偏差,结果表明空气介质下的涡街流量计仪表系数大于水介质中的仪表系数,与理论分析-致。苏庆文等4利用Fluent软件对涡街流量计在蒸汽、空气和水三种介质下进行仿真研究,仿真结果表明三种介质下仪表系数从大到小依次为:空气、蒸汽、水,说明空气受介质的可压缩性影响最大。许文达等对6台不同口径的涡街流量计分别在音速喷嘴法气体流量标准装置和冷凝称重法蒸汽流量标准装置上进行蒸汽和空气介质下的实验研究,实验设置了6个流量点,得到仪表系数和重复性等数据,结果显示空气介质下涡街流量计仪表系数在最大流量点均有明显的下降,不同口径涡街流量计在蒸汽介质下的仪表系数随流量点的变化曲线基本一致,且腔气介质下的仪表系数整体上大于蒸汽介质下的值。邢娟等回利用正压法音速喷嘴气体流量标准装置研究了不同空气密度下的涡街流量计的流量特性,结果表明随着介质密度的增大,涡街流量计仪表系数相对误差最大为0.405%,且流量下限降低,量程扩大。
  现有的相关研究表明,受介质可压缩性和温度的影响,采用空气或水介质作为标定介质对蒸汽流量计量涡街流量计进行实流标定会产生一定程度的偏差。为保证蒸汽计量涡街流量计的计量可靠性、节约计量溯源成本、避免蒸汽贸易计量差额,有必要对涡街流量计在蒸汽介质与空气、水介质下的计量特性进行研究。目前,相关研究人员针对涡街流量计在不同介质下的计量特性做了大量实验研究,测试流量点分布大多采用最大量程的不同百分比来划分(如最大流量点的60%、40%等),由于采用不同介质的涡街流量计有着不同的量程范围,这种不同介质间的简单的流量点对应缺乏理论支撑,其对比结果存疑。
  本文从流体力学基本原理出发,对不同介质下的实验流量点按照雷诺相似准则进行对应,保证不同介质下的流场力学相似,从而使得对应流量点之间的实验对比有理论支撑。选取四台不同口径(DN50、DN100、DN150和DN200)蒸汽计量领域应用较广的某品牌涡街流量计,分别在蒸汽介质、水介质和空气介,质流量标准装置上进行实验研究,分析对比不同介质下涡街流量计的计量性能及影响因素
1涡街流量计基本原理
涡街流量计原理图 
  涡街流量计依据的基本原理为“卡门涡街”原理,即在测量管道中垂直地插入一段非流线型阻流体(旋涡发生体),当流体流动,管道内雷诺数达到一定值时,在发生体下游两侧会交替分离出规则排列的旋涡,称为卡门涡街,涡街流量计的工作原理如图1所示。在一定雷诺数范围内,旋涡分离频率由旋涡发生体几何尺寸、测量管道几何尺寸以及管道中流体流速决定,计算公式为":
 
  式中:ƒ一旋涡分离频率,Hz;Sr-斯特劳哈尔数;U1一发生体两侧流体平均流速,m/s;U一管道来流平均流速,m/s;m一发生体两侧弓形流通面积与管道横截面积之比。
  对于不可压缩流体,流体在流经发生体前后密度不变,根据流体连续性定理可得:
 
  由公式(5)可知涡街流量计仪表系数可代表涡.街流量计的计量特性,本文选择仪表系数作为不同介质间涡街流量计对比参数。从公式(5)可以看出,涡街流量计仪表系数只与涡街流量计发生体和测量管体几何尺寸、斯特劳哈尔数Sr有关,其中斯特劳哈尔数Sr在一定雷诺数ReD范围内为常数”,与被测流体的特性和组分无关吗。上述理论分析常作为涡街流量计在不同介质下通用标定的依据,例如在水流量标准装置中校验的涡街流量计可直接用于气体工作介质。但是.上述分析是在工作流体不可压缩这一假设下完成的,对于可压缩流体,公式(3)不再成立,根据可压缩流体伯努利方程:
 
  从公式(9)可以看出对于可压缩流体,介质来流速度与发生体两侧的速度的关系不仅与几何尺寸有.关,还与介质等熵指数、压力、密度有关。因此,涡街流量计不同介质下的计量特性,即仪表系数不能简单等同,有必要对不同介质下的涡街流量计仪表系数进行对比研究。
2实验方案设计
  本文通过对涡街流量计在蒸汽、水、空气三种介质下进行实流标定实验,对比分析不同介质下涡街流量计计量特性,即仪表系数的差异及影响因素。本节对实验方案进行详细说明。
2.1实验装置
2.1.1蒸汽流量计量标准装置
  本文采用冷凝称重法蒸汽流量计量标准装置作为蒸汽介质实验装置,该装置位于国家蒸汽流量计量站,是国内唯--采用蒸汽实流标定的流量标准装置。该装置准确度等级为0.1级,测量范围为(2.5~15000)kg/h,采用过热蒸汽为检定介质,过热蒸汽经稳压缓冲处理后进人检定管线,通过被测涡街流量计后进人冷凝器,冷凝水进人称重容器进行称重,完成对被测涡街流量计的蒸汽实流标定。
2.1.2空气流量计量标准装置
  对于空气介质,本文采用负压法临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置,装置扩展不确定度为032%(k=2),测量范围为(1~7000)m2/h。该装置由真空泵产生负压,常温空气经过检定管线流过被测涡街流量计,随后进入稳压容器并流经文丘里喷嘴,在喷嘴喉部得到标准流量,完成对被测涡街流量计的空气实流标定。
2.1.3液体流量计量标准装置
  对于水介质,本文采用静态质量法水流量标准装置,装置扩展不确定度为0.05%(k=2),测量范围为(0.2~680)m³/h。恒温水池中的常温水介质经过检定管线流过被测涡街流量计,随后进入称重容器进行称重,完成对被测涡街流量计的水介质实流标定。
2.2雷诺数相似准则
  由流体力学可知,通过试验的方法解决流体流动过程中的规律性问题的理论基础之一是相似原理8。具体来讲就是在对比分析两个流动现象时,必须使两者之间保持力学相似关系,包括几何相似、运动相似和动力相似。对于管道中的实际流动,流体介质主要受粘性力、压力和惯性力的作用,流体力学上用雷诺数表征惯性力和粘性力之比,因此只要在对应点满足雷诺数相等即可保证两个流场动力相似。截面为圆的管道中的雷诺数Rep的计算公式为:
 
式中:qv一管道内体积流量,m³/h;p一介质密度,kg/m³;η-介质动力粘度,Pa.s;D-管道直径,m。
  因此,在进行对比不同介质下的涡街流量计仪表系数的试验时,不仅需要保证两者几何相似,同时需要保证两者动力相似,即雷诺数Rep相等。由公式(10)可以看出,由于不同介质间的密度、粘度等参数不同,在保证雷诺数相等的前提下,其体积流量也不同,所以简单按照流量点相等的原则进行不同介质间的对比试验是不可取的。
2.3实验方案
2.3.1实验用表
  本研究选用上海横河电机有限公司生产的DY系列涡街流量计共四台,口径分别为DN50、DN100、DN150和DN200,旋涡发生体形状为梯形,精度等级为1.5级。
2.3.2实验流量点
  如2.2中所述,本研究依据雷诺数相似准则确定不同介质下的测试流量点。首先根据选用的涡街流量计的蒸汽介质测量范围以及蒸汽流量标准装置的测试能力确定蒸汽介质的测试流量点,由公式(10)得到对应流量点的蒸汽介质(压力0.3MPa,温度150C的过热蒸汽)雷诺数,再由雷诺数相等原则,反推出空气介质(压力98kPa,温度20℃的干空气)和水介质(压力0398MPa,温度20℃的常温水)的对应测试流量点,以DN50口径涡街流量计为例,流量点计算如表1所示,其余口径同理。
 
2.3.3测试方案
  对四种口径的实验用涡街流量计依据JJG1029-2007《涡街流量计》规定的检定要求进行实验。
  为保证不同介质流体进人涡街流量计的流场相似,从几何相似出发,在实验用涡街流量计前后配置直管段,管道材料为304不锈钢,管道内径匹配四台涡街流量计的实际内径,DN50口径管道壁厚为3mm,DN100、DN150和DN200口径管道壁厚为6mm,前置管道长度为对应口径的5倍,后置管道长度为对应口径的3倍(前5D后3D)。前后直管段与涡街流量计通过法兰连接、螺栓紧固,并且在整个实验过程中保持固定连接,下游管道固定位置处设有取压孔,保证测试不同介质时取压位置不变。
  按照2.3.2中确定的6个测试流量点进行实验,依据检定规程,每个流量点的实际测试流量与设定流量的偏差不超过设定流量的+5%。每个流量点测试3次,每次测试时间为60秒,记录该流量点下的介质温.度、压力,得到检定仪表系数及其重复性。为了验证装置的稳定性,保证实验结果的可靠性,将实验用表:重新装夹,重复以上实验流程3次。
3实验结果分析
  按照2.3中的实验方案对四台不同口径的涡街流.量计在水、空气、蒸汽三种介质下进行仪表系数实流标定实验,实验结果如图2~5所示。
 
  由图2~5可以看出,三种不同介质下涡街流量计的仪表系数并不--致,验证了本文1节中的分析,使用不可压缩流体介质(水介质)标定的仪表系数不可直接用于可压缩流体介质(空气和蒸汽),须进行后续修正;由于水介质的不可压缩性,其标定仪表系数在整个雷诺数范围内较为稳定,相比之下空气介质的标定系数在测试范围内波动较大,随着雷诺数的增大,空气介质的标定系数有一个先下降后上升的波动趋势,需要说明的是,DN150口径涡街流量计的空气介质标定系数在最大雷诺数测试点突然下降,与其他测试点结果偏差较大,对DN150涡街流量计测试数据进行分析,发现其实际内径偏小为1388mm,在最大雷诺数下其流速达到了103m/s,远超过横河涡街流量计对空气介质的最大流速限制--一80m/s,从而导致了该测试点的明显异常;蒸汽介质的实验结果与空气介质的实验结果趋势类似,但由于蒸汽和空气的可压缩性不同(即可膨胀性系数不同),因此两者的标定系数对比水介质的标定系数偏差不同。
  综上,不同介质下涡街流量计的标定仪表系数须进行修正后方可替代使用,需要考虑的修正因素包括介质的可压缩性(可膨胀性系数),而不同介质的可压缩性不同,其影响程度也不同,如空气介质和蒸汽介质。此外,由于蒸汽为高温介质,需考虑温度对涡街流量计机械结构如壳体和发生体形变的影响。经测试,本研究选用的横河涡街流量计各部件材质及性质如表2和表3所示。
 
4结论
  本文针对涡街流量计在不同介质下的标定仪表系数进行了实验研究,实验结果表明,可压缩介质与不可压.缩介质的标定仪表系数不同且不可直接替换,证明了介质可压缩性对涡街流量计的计量性能有影响;高温介质通过改变涡街流量计机械结构的形状影响其计量特性。本研究表明了介质可压缩性和涡街流量计几何尺寸(温度影响)是影响涡街流量计计量特性的重要因素,若想将一种介质的标定结果应用到另一种介质上,须进行修正,以上两种因素即可作为修正因子。本研究结果可作为后续不同介质标定结果间修正的实验基础。

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