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不同精度要求下孔板流量计和V锥流量计的对比


文章日期:2018-04-21|阅读数:


  ±1%精度下安装直管段长度的比较:在海洋平台工艺处理过程中,对介质测量的精度和重复性要求都很高。用于过程计量的孔板流量计精度要求达到士1%。在保证士1%的计量精度前提下,对于不同阻流件管道组合形式的安装条件所需的前后直管段长度的比较,如表6-1所示流件组合形式下,如果满足工艺的精度要求,孔板流量计和V锥流量计通过下表可以得到在不同阻可的安装直管段长度。
表6-1精度士1%孔板流量计和V锥流量计直管段长度比较

表6-1精度士1%孔板流量计和V锥流量计直管段长度比较
表6-2精度±0.5%孔板流量计和V锥流量计直管段长度比较


表6-2精度±0.5%孔板流量计和V锥流量计直管段长度比较
    在海洋平台上用于贸易交接的孔板流量计精度要求达到±0.5。在保证±0.5%计量精度前提下,对于不同阻流件管道组合形式的安装条件,孔板流量计和V锥流量计所需的前后直管段长度的比较,如表6-2所示。通过上表可以得到在不同阻流件组合形式下,如果满足工艺的精度要求,可的安装直管段长度。
   与孔板流量计的实流实验结果相比,V锥流量计在复杂流场下的测量优势显现出来:
   1) V锥流量计无论在理想流场还是非理想流场下所需的前后直管段长度均比孔板流量计明显缩短,只需前SD后3D即可。
   2)当流量计上游存在阻流件时,改变前直管段长度对V锥流量计的测量性能影响不大,基本还可以保证精度,但对孔板流量计的测量影响较明显。因此,在以后的海油平台设计中可以考虑将V锥流量计替代孔板流量计,既节省了设计空间又能保证设计精度。

孔板流量计和V锥流量计的结构对比:
    V锥流量计作为一种新型的差压式流量计,其工作原理和孔板流量计相同。介质通过V锥时,由于阻流件V锥的存在,使得流体的流过面积发生变化,从而流速发生变化。根据伯努利方程,流速的变化引起压力的变化,该压力的变化与介质的流速之间存在一定的关系。因此,可通过测量锥体前后的差压达到测量流体流量的目的。虽然与孔板原理一样,但是***本质的区别在于孔板为中心收缩型节流装置,而V锥为边壁收缩型节流装置。
图6-1 V锥结构示意图
图6-1 V锥结构示意图
  测量范围窄是制约孔板流量计使用的主要原因。一方面由于孔板的流出系数随雷诺数的变化而变化较大,另一方面孔板的突然节流导致孔板后产生较大的漩涡,该漩涡的存在直接导致测量的差压信号噪声较大。而V锥流量计克服了以上的缺点。如图6-1所示,V锥流量计是由与管道同轴的内部节流件V锥和取压装置组成,流体经过时并不像孔板那样突然改变流体的流动状态,而是介质随着锥体的方向向边壁收缩,该锥体起到调整介质流动状态的作用,重塑了流束曲线,使流体的流动更加稳定。实践证明,相比于孔板流量计,V锥流量计的流出系数随雷诺数的变化基本不变,且需要的较短前直管段。
    前面章节的实流实验的结果也表明,即使上游存在各种不同类型的阻流件时,对于V锥流量计来说只需3D的前直管段即可保证计量精度在±0.5的范围之内,而对于孔板来说则需要lOD甚至30D的前直管段才能达到同V锥的同等精度。为了更好的从本质上来分析两种差压式流量计的差异,采用CFD软件Fluent分别对两种流量计在上游存在相同阻流件(即球阀+900弯头)时的情况进行建模仿真。仿真的锥体和孔板部分的压力云图以及速度矢量图如图6-2至图6-5所示。
    对比图6-3与图6-5不难发现,V锥的下游取压在锥体尾部,避开了漩涡较大的区域,处在一个速度较为平稳的区域。而孔板的下游取压刚好处在漩涡区域,漩涡的存在导致了孔板下游的压力信号的采集存在较大的干扰。因此,采用同样的差压变送器对两种流量计进行测量时,V锥流量计的差压信号的信噪比要明显高于孔板。
图6-2 V锥锥体部分的压力云图
图6-2 V锥锥体部分的压力云图
图6-3 V锥锥体部分的速度矢量图  图6-4孔板的压力云图  图6-5孔板的速度矢量图

图6-3 V锥锥体部分的速度矢量图  图6-4孔板的压力云图  图6-5孔板的速度矢量图
    如此,在流体流过V锥时,流体介质的方向会随着锥体的边壁慢慢向管壁收缩,如图6-3所示,流过锥体之后形成漩涡,无论锥体前端的流体的流动是否得到充分发展,在锥体尾部还是会存在一个速度相对平稳的区域。而对于孔板而言,它的这种结构使得流束在管道中心突然收缩,在下游取压处产生较大的漩涡,前端流体是否充分发展将会对漩涡的特性产生不确定性的影响,这就直接影响着差压信号的测量。因此,在孔板和V锥流量计的上游均存在相同阻流件时,流体的未充分发展对V锥流量计的测量产生的影响较小而对于孔板产生的影响较大。即在保证同样精度下,V锥所需要的前直管段相比于孔板要短。


小结:
  本章主要根据不同的测量精度的要求下,对孔板流量计和v锥流量计进行了一定的对比。根据上面章节的实验数据,直接对数据进行处理分析。在士1%测量精度要求下和士o. s%测量精度要求下,分别进行了对比观察,与孔板流量计的实验结果相比,v锥流量计在复杂流场下的测量优势显现出来:
  1,流量计无论在理想流场还是非理想流场下所需的前后直管段长度均比孔板流量计明显缩短,只需前sD后3D即可。
  2、当流量计上游存在阻流件时,改变前直管段长度对V锥流量计的测量性能影响不大,基本还可以保证精度,但对孔板流量计的测量影响较明显。因此,在以后的海油平台设计中可以考虑将V锥流量计替代孔板流量计,既节省了设计空间又能保证设计精度。
   为了更好的从本质上来分析两种差压式流量计的差异,采用CFD软件Fluent分别对两种流量计在上游存在相同阻流件(即球阀+900弯头)时的情况进行建模仿真。在孔板和V锥流量计的上游均存在相同阻流件时,流体的未充分发展对V锥流量计的测量产生的影响较小而对于孔板产生的影响较大。即在保证同样精度下,V锥所需要的前直管段相比于孔板要短。
  流量计广泛应用于天然气、石油等工业测量中,流量计的测量准确度将会直接影响到工业测量市场的运行。这对流量计的测量准确度提出了较高的要求。孔板流量计和V锥流量计广泛应用于工业中,安装条件对流量计的影响很大,有些标准对孔板流量计的安装条件作了一些规定,V锥流量计出现的比较晚,还很少有标准对其安装条件作出规定,因此安装条件的实验研究对流量计的实际应用有很大的参考与借鉴的意义。
  本文针对孔板流量计和V锥流量计,对安装条件对其测量准确度的影响进行了实验研究,内容和研究成果如下:
1)对孔板流量计和V锥流量计的研究现状进行了详细地介绍,针对流量计对测量准确度要求比较高的问题,说明了本文的研究目的与意义。
2)对孔板流量计和V锥流量计的工作原理进行了分析,在此基础上,利用伯努利方程和连续性方程推导出了孔板流量计和V锥流量计的流量测量模型。根据流体的分类,分别对不可压缩流体和可压缩流体进行了分析推导。孔板流量计的研究比较早,有很多的参考和实际研究成果,而V锥流量计的出现时间比较晚,对其结构尚未做标准化工作,对里面的各项参数也不是很清楚,所以在这里对V锥流量计的理论进行分析具有重大的意义,为下面的实验研究打下了良好的理论基础。
3)对用于实验研究的实验平台进行了设计研究。对实际的实验装置的原理以及每个环节进行了介绍,在此实验装置基础上,设计了计算机的软件平台,用于对实验数据的分析研究,同时对软件流程进行了详细地分析阐述。对用于实验中的阻流件进行了选择, 根据实验装置和实验的内容,对实验方案进行了设计并对其流程做了简单的介绍。