不同精度要求下孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)的對(duì)比
表6-1精度士1%孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)直管段長(zhǎng)度比較
表6-2精度±0.5%孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)直管段長(zhǎng)度比較
在海洋平臺(tái)上用于貿(mào)易交接的孔板流量計(jì)精度要求達(dá)到±0.5。在保證±0.5%計(jì)量精度前提下，對(duì)于不同阻流件管道組合形式的安裝條件，孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)所需的前后直管段長(zhǎng)度的比較，如表6-2所示。通過上表可以得到在不同阻流件組合形式下，如果滿足工藝的精度要求，可的安裝直管段長(zhǎng)度。
與孔板流量計(jì)的實(shí)流實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，V錐流量計(jì)在復(fù)雜流場(chǎng)下的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來:
1) V錐流量計(jì)無論在理想流場(chǎng)還是非理想流場(chǎng)下所需的前后直管段長(zhǎng)度均比孔板流量計(jì)明顯縮短，只需前SD后3D即可。
2)當(dāng)流量計(jì)上游存在阻流件時(shí)，改變前直管段長(zhǎng)度對(duì)V錐流量計(jì)的測(cè)量性能影響不大，基本還可以保證精度，但對(duì)孔板流量計(jì)的測(cè)量影響較明顯。因此，在以后的海油平臺(tái)設(shè)計(jì)中可以考慮將V錐流量計(jì)替代孔板流量計(jì)，既節(jié)省了設(shè)計(jì)空間又能保證設(shè)計(jì)精度。
孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)對(duì)比：
V錐流量計(jì)作為一種新型的差壓式流量計(jì)，其工作原理和孔板流量計(jì)相同。介質(zhì)通過V錐時(shí)，由于阻流件V錐的存在，使得流體的流過面積發(fā)生變化，從而流速發(fā)生變化。根據(jù)伯努利方程，流速的變化引起壓力的變化，該壓力的變化與介質(zhì)的流速之間存在一定的關(guān)系。因此，可通過測(cè)量錐體前后的差壓達(dá)到測(cè)量流體流量的目的。雖然與孔板原理一樣，但是***本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置，而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置。
圖6-1 V錐結(jié)構(gòu)示意圖
測(cè)量范圍窄是制約孔板流量計(jì)使用的主要原因。一方面由于孔板的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化較大，另一方面孔板的突然節(jié)流導(dǎo)致孔板后產(chǎn)生較大的漩渦，該漩渦的存在直接導(dǎo)致測(cè)量的差壓信號(hào)噪聲較大。而V錐流量計(jì)克服了以上的缺點(diǎn)。如圖6-1所示，V錐流量計(jì)是由與管道同軸的內(nèi)部節(jié)流件V錐和取壓裝置組成，流體經(jīng)過時(shí)并不像孔板那樣突然改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，而是介質(zhì)隨著錐體的方向向邊壁收縮，該錐體起到調(diào)整介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的作用，重塑了流束曲線，使流體的流動(dòng)更加穩(wěn)定。實(shí)踐證明，相比于孔板流量計(jì)，V錐流量計(jì)的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化基本不變，且需要的較短前直管段。
前面章節(jié)的實(shí)流實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也表明，即使上游存在各種不同類型的阻流件時(shí)，對(duì)于V錐流量計(jì)來說只需3D的前直管段即可保證計(jì)量精度在±0.5的范圍之內(nèi)，而對(duì)于孔板來說則需要lOD甚至30D的前直管段才能達(dá)到同V錐的同等精度。為了更好的從本質(zhì)上來分析兩種差壓式流量計(jì)的差異，采用CFD軟件Fluent分別對(duì)兩種流量計(jì)在上游存在相同阻流件(即球閥+900彎頭)時(shí)的情況進(jìn)行建模仿真。仿真的錐體和孔板部分的壓力云圖以及速度矢量圖如圖6-2至圖6-5所示。
對(duì)比圖6-3與圖6-5不難發(fā)現(xiàn)，V錐的下游取壓在錐體尾部，避開了漩渦較大的區(qū)域，處在一個(gè)速度較為平穩(wěn)的區(qū)域。而孔板的下游取壓剛好處在漩渦區(qū)域，漩渦的存在導(dǎo)致了孔板下游的壓力信號(hào)的采集存在較大的干擾。因此，采用同樣的差壓變送器對(duì)兩種流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，V錐流量計(jì)的差壓信號(hào)的信噪比要明顯高于孔板。
圖6-2 V錐錐體部分的壓力云圖
圖6-3 V錐錐體部分的速度矢量圖 圖6-4孔板的壓力云圖 圖6-5孔板的速度矢量圖
如此，在流體流過V錐時(shí)，流體介質(zhì)的方向會(huì)隨著錐體的邊壁慢慢向管壁收縮，如圖6-3所示，流過錐體之后形成漩渦，無論錐體前端的流體的流動(dòng)是否得到充分發(fā)展，在錐體尾部還是會(huì)存在一個(gè)速度相對(duì)平穩(wěn)的區(qū)域。而對(duì)于孔板而言，它的這種結(jié)構(gòu)使得流束在管道中心突然收縮，在下游取壓處產(chǎn)生較大的漩渦，前端流體是否充分發(fā)展將會(huì)對(duì)漩渦的特性產(chǎn)生不確定性的影響，這就直接影響著差壓信號(hào)的測(cè)量。因此，在孔板和V錐流量計(jì)的上游均存在相同阻流件時(shí)，流體的未充分發(fā)展對(duì)V錐流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生的影響較小而對(duì)于孔板產(chǎn)生的影響較大。即在保證同樣精度下，V錐所需要的前直管段相比于孔板要短。
小結(jié)：
本章主要根據(jù)不同的測(cè)量精度的要求下，對(duì)孔板流量計(jì)和v錐流量計(jì)進(jìn)行了一定的對(duì)比。根據(jù)上面章節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。在士1%測(cè)量精度要求下和士o. s%測(cè)量精度要求下，分別進(jìn)行了對(duì)比觀察，與孔板流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，v錐流量計(jì)在復(fù)雜流場(chǎng)下的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來:
1,流量計(jì)無論在理想流場(chǎng)還是非理想流場(chǎng)下所需的前后直管段長(zhǎng)度均比孔板流量計(jì)明顯縮短，只需前sD后3D即可。
2、當(dāng)流量計(jì)上游存在阻流件時(shí)，改變前直管段長(zhǎng)度對(duì)V錐流量計(jì)的測(cè)量性能影響不大，基本還可以保證精度，但對(duì)孔板流量計(jì)的測(cè)量影響較明顯。因此，在以后的海油平臺(tái)設(shè)計(jì)中可以考慮將V錐流量計(jì)替代孔板流量計(jì)，既節(jié)省了設(shè)計(jì)空間又能保證設(shè)計(jì)精度。
為了更好的從本質(zhì)上來分析兩種差壓式流量計(jì)的差異，采用CFD軟件Fluent分別對(duì)兩種流量計(jì)在上游存在相同阻流件(即球閥+900彎頭)時(shí)的情況進(jìn)行建模仿真。在孔板和V錐流量計(jì)的上游均存在相同阻流件時(shí)，流體的未充分發(fā)展對(duì)V錐流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生的影響較小而對(duì)于孔板產(chǎn)生的影響較大。即在保證同樣精度下，V錐所需要的前直管段相比于孔板要短。
流量計(jì)廣泛應(yīng)用于天然氣、石油等工業(yè)測(cè)量中，流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度將會(huì)直接影響到工業(yè)測(cè)量市場(chǎng)的運(yùn)行。這對(duì)流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度提出了較高的要求?？装辶髁坑?jì)和V錐流量計(jì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，安裝條件對(duì)流量計(jì)的影響很大，有些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)孔板流量計(jì)的安裝條件作了一些規(guī)定，V錐流量計(jì)出現(xiàn)的比較晚，還很少有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其安裝條件作出規(guī)定，因此安裝條件的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用有很大的參考與借鑒的意義。
本文針對(duì)孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)，對(duì)安裝條件對(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，內(nèi)容和研究成果如下:
1)對(duì)孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，針對(duì)流量計(jì)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求比較高的問題，說明了本文的研究目的與意義。
2）對(duì)孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)的工作原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，利用伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)出了孔板流量計(jì)和V錐流量計(jì)的流量測(cè)量模型。根據(jù)流體的分類，分別對(duì)不可壓縮流體和可壓縮流體進(jìn)行了分析推導(dǎo)?？装辶髁坑?jì)的研究比較早，有很多的參考和實(shí)際研究成果，而V錐流量計(jì)的出現(xiàn)時(shí)間比較晚，對(duì)其結(jié)構(gòu)尚未做標(biāo)準(zhǔn)化工作，對(duì)里面的各項(xiàng)參數(shù)也不是很清楚，所以在這里對(duì)V錐流量計(jì)的理論進(jìn)行分析具有重大的意義，為下面的實(shí)驗(yàn)研究打下了良好的理論基礎(chǔ)。
3)對(duì)用于實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。對(duì)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置的原理以及每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹，在此實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)的軟件平臺(tái)，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究，同時(shí)對(duì)軟件流程進(jìn)行了詳細(xì)地分析闡述。對(duì)用于實(shí)驗(yàn)中的阻流件進(jìn)行了選擇， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)其流程做了簡(jiǎn)單的介紹。