節流裝置如何面對ISO5167新標準

一、前言
長期以來，節流裝置（孔板、噴咀、文丘利管）因適用于多種流體（氣體、液體、蒸汽），且耐高溫高壓，在許多行業中，如化工、電力、鋼鐵、冶金、石油天然氣、建材……多采用它用以監測流量參數。在流量儀表市場中，數量約占60%以上的份額。對于這種量大面廣的儀表，國際標準化組織 “封閉管道中流體流量測量專業委員會”（ISOTC30）極為重視，制定了節流裝置流量測量標準ISO5167，并根據使用中的問題不斷修改完善。我國的節流裝置國家標準（GB/T2624-93），在市場全球化的思想指導下，與其接軌，也等效采用ISO-5167。國際標準化組織ISOTC30經二年多的討論醞釀，重新修訂了ISO5167，並于2003年3月公布執行ISO-5167新的標準，引起了國內流量專業人士的關注。
二、ISO5167新標準修改的主要內容：
1、在沒有流動調整器條件下，對節流裝置（孔板、文丘利管）上游所要求的直管段普遍提出了更長的要求；
2、建議在節流裝置上游安裝流動調整器，以適當縮短所要求的直管段長度；
3、根據大量數據回歸的R/G公式取代原來的sto1z公式；
4、采用新公式來計算孔板的可膨脹系數；
5、修訂了關于孔板不同軸度、不平度及上游管內壁粗糙度的限制要求。
以上5條，對使用者來說主要關心的是1、2二條；新標準對直管段長度的補充列于表1：

表1所列的數據是近年來進行系統實驗所得到的結論，是有根據的，它將有助于節流裝置更合理地推廣應用。從中可看出ISO5167新標準對孔板前直管段長度的要求增大了4~17D，達到了30~70D左右。這個長度在工程實施中存在相當大的難度，甚至是不可能的。在工程設計中，一般僅按工藝條件來安排管道的長度，很少顧及流量儀表前后直管段長度的要求，面對ISO5167新標準，我們該怎么辦？
流量儀表在工程中的應用，不外乎以下幾種情況：①貿易計量，進行物流的核算，準確度是首要的，如直管段達不到標準要求，直接影響到準確度的下降；②工藝流程的監測；主要了解工藝流程是否正常，可靠性是主要的；③工控系統中的檢測環節，作為調節的依據，重復性是主要的。因此，在直管段達不到要求時，孔板（或節流裝置），仍可工作只是準確度下降了；用于②、③種情況還可考慮，而第①種情況則難以選用。
三、流動調整器（Flow Conditioner）
在直管段達不到表1的要求長度時，管道中的流速分布不是充分發展紊流，流速分布不對稱，有畸變還可能有漩渦、回流

（圖1）。

ISO5167新標準建議采用流動調整器，認為選用后可改善流動情況，無需過長的直管段即可達到新標準的要求。

流動調整器的結構，主要有以下三種類型：①多孔板 在一個平板上多個圓孔，這種結構有助于改善流速分布；但不能清除旋渦；②管束 有助于減小、消除流動中的漩渦。③綜合型 將以上二種結合起來，由ISO推薦的Zanker及由ASME推薦的Sprenkle等流動調整器即綜合型結構。
圖2所示的三類流動調整器的主要功能，a類可減小漩渦，壓損較小，但效果較差；b類，可減少、消除漩渦。并改善中等程序的流速分布畸變，壓損較大；C類在消除漩渦及改善流速分布的性能均優于a、b二種類型，壓損較大。

圖2C

所示的綜合型流動調整器；效果均較好，但Zanker及Sprenkle的結構都太復雜，制造成本較高；而R.W.Miller所推薦的Ｍitsubishi調整器結構較簡單，僅在一個厚為0.13D的板上鉆35個0.13Ｄ的圓孔，效果較好，不太復雜，易于制造，壓損中等。
但在直管段長度達不到要求時采用流動調整器，并非萬全之計，它在改善了流動情況的同時，又帶來了以下弊病：①增加成本。制造一臺流量調整器的成本不亞于一臺流量計。②增加安裝、維修工作量。③易于堵塞。采用流動調整器緣于在直管段達不到ISO5167新標準要求的長度，仍希望維持孔板等節流裝置較高準確度的一項技術措施。可事與愿違，由于效果好的流量調整器均易于堵塞，并造成了流動的畸變，它又反過來降低了測量準確度。既有違初衷，又何必勞命傷財，多此一舉呢？
要徹底解決問題，只有采用新型節流裝置。此時，業內比較關注的是采用內錐式流量計。
四、內錐式流量計（圖3）


上世紀80年代中期，由美國MCCROMETER公司研制、推出了這種新型節流裝置，由于內錐具有整流作用，要求前、后直管段長度都很小。特別適用于ISO5167新標準公布后所面臨的困境。我國天津、上海、寧夏均有產品推向市場。
1、原理：
內錐式流量計仍是一種通過節流取差壓以反映流量大小的節流裝置。節流件為一個懸掛在管道中央的錐形體，前錐角約30°,后錐角約150°。高壓P1取自錐體前流體未擾動（即未形成節流，流體未加速）的管壁；低壓P2取自后錐體中央，并通過內錐支承桿引至管外，其差壓△P的平方根與流量成正比。計算與孔板、噴咀等類似，只是需要將環形通道面積折合為孔板內孔面積，計算公式如下：
式①中 為容積流量，C為流出系數， 氣體膨脹系數， 為等效 值，d為等效內孔直徑，△P輸出差壓， 為流體密度。
①式中β值由下式決定

②式中dv為內錐最大橫截面處的直徑。

①式的d為等效開孔直徑，其大小等于BD。

2、突出的優點
1）錐體整流，縮短直管段。
長期以來，人們都認為變徑管（或稱異徑管）是破壞流場的，無論管徑由小變大，或由大變小后都要求基本相同的直管段。其實，收縮管（即管道截面由大變小）將促使流體加速，其效果具有消除漩渦、促進流動層面的相互作用，在一定條件下可以在較短的長度內達到較理想的流速分布。內錐式流量計使流通截面由大變小，其效果相當于一個流動調整器，可以縮短節流裝置所必需的直管段長度；至于是否短到廠家所說僅為0~3D，還有待試驗證實。


2）邊緣耐磨，改善穩定性。
幾十年來，孔板曾被公認為是一種不用實標的準確流量計，常用于物流的計量核算，而它的長期穩定性是值得質疑的。根據節流裝置標準的規定，孔板的節流孔邊緣厚度e僅為0.005~0.02D；光潔度應為 ▽ 7以上。而在使用過程中，在銳角處流速最高，流體的沖刷也最強烈，使用不久銳邊將變大，并產生毛刺不再光滑，流量系數也將隨之變化。
而內錐式流量計則不然，在錐體的最大截面的邊緣，由于附面層的保護（見圖3）其表面流速并不高，附面層減緩了沖刷的力度，且邊緣是一個鈍體而不是銳角，也經得起沖刷。因此，內錐式流量計流量系數可長期穩定不變。
為什么孔板沒有附面層保護呢？附面層厚度δ=KLReX，（其中L是特征長度，Re是雷諾數，K,X為系數）孔板的特征長度等于零，無法形成附面層保護。
3）環形通道，適用于臟污流。
各工程中現場中的流體都難以保證潔凈，多年來，節流裝置中采用最多的孔板，由于其下游會形成一個回流區，流體中的臟污物、凝折物等將滯留在這個區域，日積月累，將改變節流比β值，引起流量系數的變化，其次污物還會阻塞測壓孔，使孔板難以正常工作。
而內錐式流量的節流部分的環形通道，錐體后未形成滯流區，當流體流過邊緣時，因流速高，任何臟污物、凝析物，將被沖走難以滯留。因此它適用于臟污流體，特別是氣液、氣固、液固二相流體。十多年的使用證明，它已成功地應用于焦爐煤氣、高爐煤氣、渣油、水煤漿、氣液二相流（濕氣）……等臟污流體。長期困擾孔板的難題，采用內錐式流量計將迎刃而解。
3、主要技術參數（根據廠家技術資料）
①內錐式流量計標準β值，可按工況，有以下幾種：0.45、0.55、0.65、0.75、0.85；
②所要求的直管段上游約0~3D，下游0~1D；
③準確度可達±0.5%；重復性為0.1%；
④采用智能差壓變送器；量程比可達15:1以上；
⑤具有自動清除作用，適用流體極為廣泛，如氣固、液固二相臟污流體均可使用；
⑥壓損較孔板小；
⑦壓力上限6Mpa，溫度上限可達600℃；
⑧未積累足夠的實驗數據，尚不能像孔板、噴咀一樣，無需標定，即可得流量系數；
⑨有待制定標準，促進推廣應用。
4、應用范例
在軋鋼廠中焦爐煤氣是窯爐的主要燃料，由于它將在管道及檢測元件上產生積垢，一直困擾著儀表工程師，成為流量測量中的難題。S.S.Oxelosund.(瑞典)推薦SSAB公司將MCCROMETER公司的V-Cone流量計用于軋鋼廠窯爐的焦爐煤氣流量測量，運行一個月后，該公司儀表工程部的Lekberg先生對于它進行了評估，他說：“我們對它進行了檢查，驚奇地發現流量計內部比較干凈，而錐體上邊沒有明顯磨損的跡象，對此我們十分滿意。”SSAB公司然后將V-cone流量安裝在更嚴酷的條件下進行考核。繼續運行3個月后再次檢查，Lekberg評價說“經過三個月的試驗，雖然是用于嚴重污染的臟污氣體，我認為V-come流量計的性能比我們予計的要好得多，錐體表面沒有積垢，也沒有磨損。”
這是一個成功的范例，具體應用參數摘要附后：
·產品序號90206Y1 ·管道內徑 154.38mm
·被測流體SSAB公司焦爐煤氣 ·錐體最大直徑 138.33mm
·比重0.44（60℉） ·β值 0.444
·粘度120×10-2CP（厘泊） ·流量系數 0.865
·溫度t=35~60℃ ·最大差壓 111.12毫米水柱
·壓力p=0.1bar（表壓） ·量程比 9:1
·流量Q=80~743Nm3/h
五、點滴絮語
1、直管段長度：內錐式流量計問世已十多年，鮮為人知。近二年由于提出了ISO5167新標準，加長了孔板等節流裝置所需的直管長度，使孔板難以使用，在不少會議、媒體上出現了一股“內錐熱”，認為其所需直管段前為0~3D；后為0~1D，幾乎可有可無。內錐的整流作用真的能神奇到這個地步？據了解不少阻力件（如雙彎頭）后漩渦區的消失就不止1D。
2、量程比：內錐式流量計是一個差壓式流量計，這類儀表其流量與輸出差壓的平方根成正比。而不少技術資料宣傳它的量程比可達15:1。一般的差壓變速器量程比應為10:1，因此差壓式流量計的量程比就只能是3:1。當然，如采用智能差壓變送器，則流量的量程比是可以達到15:1，甚至更高的，但這個優點怎能算在內錐式流量計上呢！
3、流動調整器：在制定節流裝置標準中，國際標準化組織ISOTC3O多次建議采用流動調器，由于現場的惡劣條件，流體欠潔凈，將會帶來不少問題，難以達到預期效果。但在流量試驗室倒不妨采用，不少試驗室由于場地的限制，直管段長度（特別是大口徑管道）都未達到要求，沒有形成充分發展紊流，所標定的流量系數欠準確。而試驗室流體潔凈，不易堵塞，便于維護，采用流動調整器，可以在有限的場地達到理想的流速分布，使所標定的流量系數更為準確、可靠。
4、標準化：孔板長期公認為是無需標定而又準確的流量計，為此制定了國際標準（5167）國家標準（GB-2624），因此常用于物流計量及貿易核算中，ISO5167的新標準提出的直管段長度使孔板的應用陷入困境，不少專家建議采用內錐式流量計取代孔板，舉出了不少優點，前景誘人。但由于還缺乏足夠的試驗數據，無論國際還是國內還未制定相應的標準。用于物流貿易核算，目前還缺乏計量法 依據。
5、需理性、勿過熱：由于影響因素較多，流量儀表的原理類型之多一向處自動化儀表之冠，各自特點在一定領域（或條件下）發揮作用，某一儀表一統天下的局面，短期還難以形成。在市場競爭中，廠商的過熱宣傳是可理解的，而工程、學術界的宣傳就應實事求是不宜過熱。況且內錐式流量計在支持結構、取壓點位置、壓損等方面還不是那么盡善盡美，有待人們在實用中不斷改進與完善。