孔板流量计上游淤积故障诊断与修正研究
摘 要 在利用流场仿真软件对孔板正常工况和故障工况进行建模与仿真计算的基础上,得出故障所导致的孔板流出系数偏差量与淤积程度的关系式。为达到在线诊断的目的,在传统的孔板法兰取压点后方,再增加一取压点,计算两组差压的比值,再计算差压比值因子 k,k 反映了淤积所导致流场的畸变程度。通过分析和仿真确定了 k 所在位置( P3) 的***佳选取点,并进一步得出 k 与故障程度 J 的经验公式。通过此公式,可以实现淤积故障的在线诊断,进而实现测量值的在线修正。仿真与实验证明: 诊断后,能将淤积***严重工况下的测量结果修正到 ± 1% 误差以内。并通过实流实验验证了该方法的有效性及其在工程上的实用性。
1、孔板 CFD 建模与仿真①:
1. 1、孔板系统的 GAMBIT 模型:
进行仿真与实验时,标准孔板尺寸的管道直径 D = 50. 0mm、孔板孔径 d = 37. 5mm、孔板孔径与管道直径比值 β = d /D = 0. 75、节流孔厚度1mm、孔板厚度 3mm,取压方式为法兰取压,流体介质为标准状况下的空气,孔板的前后直管段分别为 60D、20D。先对无淤积的正常工况进行仿真分析,作为与淤积工况对比的基准。已经有研究者对标准孔板进行 CFD 仿真研究[6],可见相关文献。
图 1 正常工况下孔板实体模型纵向剖面示意图
表 1 GAMBIT 网格格划分
为研究方便将淤积高度分为 10 等分,即对应于 J =0. 1、0. 2、…、1. 0 这 10 种情况。实际装置中,孔板往往位于低位,为简化仿真模型,将孔板淤积段前方也视为水平管道。淤积设为固定壁面。对应于 J = 0. 1、0. 2、…、1. 0 时,图 2 为淤积孔板和淤积剖面图,网格的划分方法与表 1 相同。这样共得到 10 个淤积工况的 GAM-BIT 模型,所不同的只是淤积的高度 h。
图 2 淤积孔板与淤积剖面示意图
仿真计算的目的是在已设定的工况下( 入口速度与淤积高度确定时) ,研究流出系数的变化。仿真参数与条件设定见表 2。对应于正常工况与10 种故障工况,入口有 6 个速度点,一共要进行66 次仿真计算,计算模型中设置 3 个静压( 表压)监测点 P1、P2、P3,P1和 P2分别为管壁上距离孔板前、后端面各为 25. 4mm( 1 英寸) 处的法兰取压点,P3为下游距离孔板后端面 1. 4D 处的取压点,后文会解释选取 P3取压点的原因。P1、P2、P3点的静压( 表压) 为 p1、p2、p3,每次仿真显示并记录这 3 点的静压,每个速度点仿真计算过程收敛后,用式( 1) 计算孔板的流出系数 C1[2],同时用国标中的 Reader-Harris 公式计算出标准流出系数 C0:Δp = p1- p2qm= ( C1/ 1槡- β4) εA02ρ( p1- p槡2) ( 1)第 10 期 张 涛等. 孔板流量计上游淤积故障诊断与修正研究3321式中 A0———孔板节流孔面积,
表 2 仿真计算参数与条件
2、仿真计算结果分析:
淤积前、后孔板 CFD 结果见表 3。正常工况下的 CFD 结果见表 3 第 1 行数据。因为国标 C0随流量点的不同( 即随着雷诺数变化) ,有非常微小的变化( 在工程应用中,往往在一个较窄的流量范围内将 C0看作定值,但在研究中应对待) ,所以在整个速度范围内,研究 C1相对 C0的误差 ΔC 更为准确直观。在各个速度计算点,C1均高于 C0,误差在 0. 98% ~ 1. 23% 范围内波动,误差值的方差为 0. 006 1,因方差值较小,所以取6 个流量点 ΔC 的平均值作为此流量范围 ( 2 ~22m / s) 内的 误 差 ( 恒 定 值 ) ΔCp,即 认 为 ΔC =ΔCp。与实流实验一样,CFD 数值模拟存在着各种系统误差,如管壁粗糙度设置及计算过程的舍入误差等,但与国标 Reader-Harris 公式计算结果进行比较,足以证明其结果的正确性
表 3 淤积前、后孔板 CFD 结果 ΔC 值
3、基于差压比值因子的淤积故障诊断:
3. 1、差压比值因子的引入:
因仿真采用速度入口,孔板发生淤积时,研究孔板附近的速度云图( 图 3) ,上下两幅图对应于入口速度为 6m/s、正常工况与淤积 J 为 0. 7 时的云图。从图中与仿真数据可见,在孔板下游 5D的范围内,当有淤积发生时孔板下游流体高速核心区向下方偏转,淤积越多偏转程度越大,管道下方的流体边界层稍有变薄。管道下部径向速度梯度变大,总体上管道内的平均流速稍有增加,相应地,对应处的静压减小,随着 J 增大减小得越多。
图 3 正常与淤积工况速度流场云图
从物理学解释如下: 因孔板上游淤积,故管道变细,使得入口处管道空气流入淤积处时,速度变快,动量变大,而经过孔板的射流作用后,它在孔板下游恢复成管内匀速流动的距离就更长一些。所以在云图中看到,孔板后方 5D 处,正常工况孔板下游高速核心区基本结束,气体恢复成管内匀速流动,而明显地在孔板淤积后该核心区并未结束。淤积越多,下游的高速核心区就需要越长的行程才能恢复成管内匀速流。这意味着淤积故障后下游法兰取压后管道轴向速度场梯度明显变小,而根据伯努利方程可知,压力场梯度也相应地小于正常工况,而且淤积越多压力梯度越小,因流场相对于正常工况的这种畸变不可见,所以考虑在孔板下游取一点 P3,该点静压与法兰取压点 P2的静压差值为 p3- p2,取比值:k = ( p3- p2) /Δp。
图 4 差压比值因子 k 随速度及淤积的变化规律
P3在孔板下游 1. 4D 处并不是偶然的,根据文献[7,8]给出的经验公式,在孔板下游管道内,流体对管道内壁的剪切力作用存在***小值点,这一点处的压力值随湍流变化的影响***小,静压的波动***小。将所研究的管道口径流量等数值代入经验公式计算后,得到剪切力***小值点在孔板下游 1. 4D 处,并且此点不随速度变化而移动,这就说明了取孔板后方 1. 4D 作为取压点的合理性。这一方法称为“一节流两差压”,通过它可以方便并较准确地测得孔板淤积程度 J,从而实现故障的即时诊断。对 J = 0. 1 ~ 1. 0 各个工况,取 k 在各速度点下的平均值 kp,kp与 J 的函数关系如图 5 所示。进行***小二乘拟合,得到以下公式,二者互为反函数:kp= - 0. 0072J3- 0. 0161J2- 0. 0183J2+ 0. 3064 ( 6)J = ( - 8. 4942k3p+ 6. 9281k2p- 1. 8990kp+ 0. 1758) /1000
图 5 差压比值因子 kp与淤积程度 J 的函数关系
4、故障诊断修正方法的实流验证与误差分析:
4. 1 、实验过程简介:
实验在天津大学空气流量标准装置上完成。系统采用离心风机作为气源,用气体涡轮流量计作为标准表,其流量范围连续可调,装置不确定度为 0. 15% ( 扩展不确定度为 2. 00% ) ,实验管道部分口径 D = 50mm。对于实验用孔板,专门设计加工了法兰取压套件,因涉及取压点 P3,要方便验证 P3点的位置,所以在孔板后方 1. 0D、1. 2D1. 4D、1. 6D、1. 8D、2. 0D 处加装多个取压点,实验中只选用一个,不用的取压点管壁内部孔洞用螺母旋紧,使之与内管壁平整,不至于影响管内流场。先进行标准孔板正常工况的实流实验,以对应于仿真中的正常工况模型。而在涉及水分淤积实验时,经计算后将管道中注入定量的水,形成10 个淤积高度,这样就设置了 J 从 0. 1 ~ 1. 0 的效果。
4. 2 、实流实验结果:
4. 2. 1 、淤积对流出系数的影响实验:
图 6 实流实验中孔板淤积后的 C 值
验设置了 4 个淤积程度,为 0. 25、0. 50、0. 75、1. 00; 每 个 淤 积 程 度 下,取 4、8、12、16、20m / s共 5 个流量点。实验中取 P3距离孔板后端面1. 0D、1. 2D、…、2. 0D 各点,验证了取 P3在孔板后距离 1. 4D 处时,算出 k 值的方差小于其他 5点。此时,实验结果如图 7 所示,k 值近似为一条水平直线。取 k 的平均值 kp,并求 kp与 J 的关系,与仿真结果进行对比,在同一个 k 值下,CFD对 J 求得的结果误差不超过 ± 5% 。
图 7 实流实验差压比值因子与速度、淤积的关系
3.2节提到的“一节流两差压”方法及时地诊断了故障状况,修正了流量测量结果。将图 7 与图 4 的曲线数据进行对比,在以实验数据为准的情况下,可知在相同 k 值下,CFD 对 J 求得的结果误差不超过 ± 5% 。再将 J 的误差代入式( 4) 中,经过计算可知,J 的误差对流出系数产生的误差***大不超过 ± 1% ,也就是说故障诊断算法对流量的修正值算法度为 ± 1% 。
5、结论:
5. 1、采用 CFD 数值模拟孔板流量计内部流场情况,能弥补实流实验中各种实际条件的限制,是种有效的方法。“一节流两差压”的方案结合CFD 求得的经验公式,能有效地在线计算出孔板上游淤积的故障状况,进而实现了淤积故障的即时诊断,并能在线修正流量测量值。通过实流实验验证,方法是有效的,算法的度较为满意,可以从实验室向生产现场推广,在工程实践上具有应用价值。
5. 3、文中所涉及的淤积工况,只是孔板“病态”工况之一,除此之外,如孔板上下游直角区污物堆积、孔板表面沾污、孔板直角边磨损情况下故障的检测诊断与修正,都可以应用类似方法进行研究。而对于更为复杂的情况,还可结合智能预测等算法来解决,这些都将是下一步研究工作的方向。