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 技术论文

内藏式双文丘里管流量测量装置的研究与应用

 
T刘建华
(西安航联测控设备有限公司 西安 710048)

摘 要
 

本文对低流速、大管径气体流量测量中,当前存在的主要问题进行了分析比较。通过风洞实验,研究了内藏式双文丘里管测量流量装置的特性及数学模型。阐述了该种形式的双文丘里管的结构、组成、安装形式、特点以及应用优势。在钢铁厂热风炉的助燃风、冷风、煤气计量(高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气)及热电厂的锅炉一次风、二次风及其它大管径、低流速管道计测量中收到了良好的效果。

关键词:低流速、大管径、大流量、双文丘里管,无直管段

目前,国内热电厂的大容量锅炉机组一次风、二次风管道的风量,烟道的烟量以及发电机组的回热管道,回热蒸汽流量及炼铁厂热风炉助燃风、冷风煤气的计量,以及各大电厂燃气锅炉与煤气厂商业贸易结算计量等,其一次元件多为机翼型或均速管测量装置及标准文丘里管。由于均速管(阿牛巴)输出的差压信号较小,易堵塞,且分辨率低,一般需要与微差压变送器配套,测量精度不高。近几年国内的一些代理公司推出了美国生产的威力巴差压流量计,在性能上比阿牛巴均速管提高了一大步。但由于受直管段、量程比的限制,在煤气计量上仍存在许多问题,不能满足用户的要求。而机翼型测量装置体积较大,压损较大,制造工艺比较困难,且易堵塞信号管路,采用标准文丘里管,在大管径时,其前后直管段要求很长,成本很高。近年来在矩形风道的流量测量中,人们通过对文丘里管的变异,设计出了矩形文丘里管,并进行了一定的试验,但由于压力损失较大等原因,亦限制了它的推广和应用。
在炼铁厂中,大容量的热风炉入口冷风、净煤气及助燃风的管径一般都超过1200mm,但管径超过1200mm的节流装置,目前国内、国外均未建立标准,一般节流装置的生产厂家无法进行标定和校验。由于流量变化范围大,介质受压力及温度影响较大,在低压,低流速状态下工作,要求永久性压力损失小,采用一般节流装置很难实现。另外,流量测量装置一般要求前直管段为10D,后直管段为5D,导致造价增高。为解决这些问题,国内一些企业引进国外的产品,如插入式质量流量计(热差式),不仅造价昂贵,且由于工艺条件限制,介质中含水份多等种种原因仍存在计量不准或无法测量的问题。
针对以上存在的问题,西安航联测控设备有限公司,采用航空气动理论和飞机发动机内流流体力学等学科的最新研究成果,应用大型计算机技术和风洞实验,研究和生产出BYW-F内藏式双文丘里管智能流量计。


工作原理及风洞实验结果
 

1.1 工作原理
根据伯努利方程和连续方程的基本原理和风洞实验结果,内藏式双文丘里管流量测
量装置的流量计算数学模型(带压力、温度全自动补偿)可归纳为下式:

式中 A、B、C――常数,由被测介质工作状态的技术参数及风道截面的形状和尺寸计算,并通过风洞实验校正而得出,其中A为ΔP≠0时温度变化函数;
Q――被测流体的体积流量,Nm3/h;
t――文丘里管测量段流体温度,℃;
P0――当地平均大气压,Pa;
PH――文丘里管所取差压值,Pa。
经整理简化后的含温度、压力全自动补偿的计算式为:

K值为流量系数与普通孔板计算式相同。
1.2 实验设备与实验对象
实验是在NF-3风洞内进行的,其实验段截面尺寸为2.5×3.5米,长12米,实验风速
为V=5~90米/秒,紊流度为0.08%,信号采集采用8400电子扫描阀完成,采集速度为5万点/秒,测量精度为0.05%。该风洞为我国唯一的低速、大管径重点实验室,也是国防科工委的重点实验室。
1.3 风洞实验结果
空气在风道中流动都是紊流状态,由于计算是按照理想流体一元流体流动来推导文丘里管产生的差压与流速之间的关系式,显然存在误差,另外在设计收缩比时,其中流量系数理论上解决十分困难,它是一个综合性系数,其值与节流件的类型、取压方式、直径及雷诺数Re等因素有关,所以必须借助于风洞实验对流量系数进行标定。我公司大量多次实验的基础上逐渐建立了计算流量系数K值的数学模型。
将流量测量装置管道安装在风洞实验段的支架上,且双文丘里管的轴线与管道轴线
重合。
(1) 实验方法
PE为管道E截面处的管壁静压;
PC和PC分别为管道C截面处的总压和静压,它是由风速管移测得到各点的总静压。
PA*和PA分别为双文丘里管直线段A截面处的总压和静压,它是由总压管移测获得
各点的总压和管壁静压孔测得该截面的静压。
PB为双文丘里管B截面的管壁静压;
PD*为管道出口端面轴线上的总压,由总压管测得,各压力测量位置见图1
(2) 数据处理
管道C截面的风速Vc,m/s为
(1)
双文丘里管A截面的风速VA,m/s为
(2)
(3)
(4)
式中 ――空气运动粘度系数,m2/s;

通过管道体积流量Q为
Q=VcSc(5)
式中 SC――管道横截面积,m2
通过双文丘里管A截面的质量流量,Kg/h为
(6)
式中 ρ――空气密度,kg/m3
通过管道截面C的质量流量kg/h为
(7)
流量装置C、D截面间的流阻系数为
(8)
A、 B和E、B两处的静压差分别为:
PAB=PA-PB          (9)
PEB=PE-PB (10)
 
测量装置的结构,组成及主要特点
 
2.1结构
如图2、3所示,内藏式双文丘里管风量测量装置主要由外部诱导整流装置和核心一次传感元件组成。外部诱导整流装置是核心一次传感元件大差压形成的必要条件,它决定了系统差压的量级和差压值。核心一次传感元件是取得差压的直接元件,外部诱导整流装置是内藏式双文丘里管流量测量装置的关键。图2、3所示是矩形管道也可是圆形管道。
2.2 BYW-F内藏式双文丘里管测风流量装置组成
(1) 组成(见示意图2、图3)


(2)传感器双文丘里管结构(示意图4)

气流在双文丘里管内的流动状态至关重要,直接影响双文丘里管的性能。试验表明把喉部设计为平面结构有利于内部气流的稳定。
双文丘里管的负压测点是从内文丘里管喉部引出,为提高信号的稳定性,在喉部同一截面上采用多点取压方式,信号引出后由联通管道连接送入压差变送器,采用这种方式对信号的稳定性有明显效果。
对双文丘里管前直管段的研究发现,其对直管段的要求并不严格,连同直管段在内,整套装置为1.5D即可。一般情况下文丘里管前面至少应有0.3D,有一个D最好。
为了使流体在通过内藏式双文丘里管测风装置时减少涡流和紊流,在装置的入口处增设了三个流线型机翼支撑架,即可以起到固定支撑作用,又可起到整流作用,实验表明,采用此种方法是十分重要的。

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