节流装置如何面对ISO5167新标准

一、前言
长期以来，节流装置（孔板、喷咀、文丘利管）因适用于多种流体（气体、液体、蒸汽），且耐高温高压，在许多行业中，如化工、电力、钢铁、冶金、石油天然气、建材……多采用它用以监测流量参数。在流量仪表市场中，数量约占60%以上的份额。对于这种量大面广的仪表，国际标准化组织 “封闭管道中流体流量测量专业委员会”（ISOTC30）极为重视，制定了节流装置流量测量标准ISO5167，并根据使用中的问题不断修改完善。我国的节流装置国家标准（GB/T2624-93），在市场全球化的思想指导下，与其接轨，也等效采用ISO-5167。国际标准化组织ISOTC30经二年多的讨论酝酿，重新修订了ISO5167，並于2003年3月公布执行ISO-5167新的标准，引起了国内流量专业人士的关注。
二、ISO5167新标准修改的主要内容：
1、在没有流动调整器条件下，对节流装置（孔板、文丘利管）上游所要求的直管段普遍提出了更长的要求；
2、建议在节流装置上游安装流动调整器，以适当缩短所要求的直管段长度；
3、根据大量数据回归的R/G公式取代原来的sto1z公式；
4、采用新公式来计算孔板的可膨胀系数；
5、修订了关于孔板不同轴度、不平度及上游管内壁粗糙度的限制要求。
以上5条，对使用者来说主要关心的是1、2二条；新标准对直管段长度的补充列于表1：

表1所列的数据是近年来进行系统实验所得到的结论，是有根据的，它将有助于节流装置更合理地推广应用。从中可看出ISO5167新标准对孔板前直管段长度的要求增大了4~17D，达到了30~70D左右。这个长度在工程实施中存在相当大的难度，甚至是不可能的。在工程设计中，一般仅按工艺条件来安排管道的长度，很少顾及流量仪表前后直管段长度的要求，面对ISO5167新标准，我们该怎么办？
流量仪表在工程中的应用，不外乎以下几种情况：①贸易计量，进行物流的核算，准确度是首要的，如直管段达不到标准要求，直接影响到准确度的下降；②工艺流程的监测；主要了解工艺流程是否正常，可靠性是主要的；③工控系统中的检测环节，作为调节的依据，重复性是主要的。因此，在直管段达不到要求时，孔板（或节流装置），仍可工作只是准确度下降了；用于②、③种情况还可考虑，而第①种情况则难以选用。
三、流动调整器（Flow Conditioner）
在直管段达不到表1的要求长度时，管道中的流速分布不是充分发展紊流，流速分布不对称，有畸变还可能有漩涡、回流

（图1）。

ISO5167新标准建议采用流动调整器，认为选用后可改善流动情况，无需过长的直管段即可达到新标准的要求。

流动调整器的结构，主要有以下三种类型：①多孔板 在一个平板上多个圆孔，这种结构有助于改善流速分布；但不能清除旋涡；②管束 有助于减小、消除流动中的漩涡。③综合型 将以上二种结合起来，由ISO推荐的Zanker及由ASME推荐的Sprenkle等流动调整器即综合型结构。
图2所示的三类流动调整器的主要功能，a类可减小漩涡，压损较小，但效果较差；b类，可减少、消除漩涡。并改善中等程序的流速分布畸变，压损较大；C类在消除漩涡及改善流速分布的性能均优于a、b二种类型，压损较大。

图2C

所示的综合型流动调整器；效果均较好，但Zanker及Sprenkle的结构都太复杂，制造成本较高；而R.W.Miller所推荐的Ｍitsubishi调整器结构较简单，仅在一个厚为0.13D的板上钻35个0.13Ｄ的圆孔，效果较好，不太复杂，易于制造，压损中等。
但在直管段长度达不到要求时采用流动调整器，并非万全之计，它在改善了流动情况的同时，又带来了以下弊病：①增加成本。制造一台流量调整器的成本不亚于一台流量计。②增加安装、维修工作量。③易于堵塞。采用流动调整器缘于在直管段达不到ISO5167新标准要求的长度，仍希望维持孔板等节流装置较高准确度的一项技术措施。可事与愿违，由于效果好的流量调整器均易于堵塞，并造成了流动的畸变，它又反过来降低了测量准确度。既有违初衷，又何必劳命伤财，多此一举呢？
要彻底解决问题，只有采用新型节流装置。此时，业内比较关注的是采用内锥式流量计。
四、内锥式流量计（图3）


上世纪80年代中期，由美国MCCROMETER公司研制、推出了这种新型节流装置，由于内锥具有整流作用，要求前、后直管段长度都很小。特别适用于ISO5167新标准公布后所面临的困境。我国天津、上海、宁夏均有产品推向市场。
1、原理：
内锥式流量计仍是一种通过节流取差压以反映流量大小的节流装置。节流件为一个悬挂在管道中央的锥形体，前锥角约30°,后锥角约150°。高压P1取自锥体前流体未扰动（即未形成节流，流体未加速）的管壁；低压P2取自后锥体中央，并通过内锥支承杆引至管外，其差压△P的平方根与流量成正比。计算与孔板、喷咀等类似，只是需要将环形通道面积折合为孔板内孔面积，计算公式如下：
式①中 为容积流量，C为流出系数， 气体膨胀系数， 为等效 值，d为等效内孔直径，△P输出差压， 为流体密度。
①式中β值由下式决定

②式中dv为内锥最大横截面处的直径。

①式的d为等效开孔直径，其大小等于BD。

2、突出的优点
1）锥体整流，缩短直管段。
长期以来，人们都认为变径管（或称异径管）是破坏流场的，无论管径由小变大，或由大变小后都要求基本相同的直管段。其实，收缩管（即管道截面由大变小）将促使流体加速，其效果具有消除漩涡、促进流动层面的相互作用，在一定条件下可以在较短的长度内达到较理想的流速分布。内锥式流量计使流通截面由大变小，其效果相当于一个流动调整器，可以缩短节流装置所必需的直管段长度；至于是否短到厂家所说仅为0~3D，还有待试验证实。


2）边缘耐磨，改善稳定性。
几十年来，孔板曾被公认为是一种不用实标的准确流量计，常用于物流的计量核算，而它的长期稳定性是值得质疑的。根据节流装置标准的规定，孔板的节流孔边缘厚度e仅为0.005~0.02D；光洁度应为 ▽ 7以上。而在使用过程中，在锐角处流速最高，流体的冲刷也最强烈，使用不久锐边将变大，并产生毛刺不再光滑，流量系数也将随之变化。
而内锥式流量计则不然，在锥体的最大截面的边缘，由于附面层的保护（见图3）其表面流速并不高，附面层减缓了冲刷的力度，且边缘是一个钝体而不是锐角，也经得起冲刷。因此，内锥式流量计流量系数可长期稳定不变。
为什么孔板没有附面层保护呢？附面层厚度δ=KLReX，（其中L是特征长度，Re是雷诺数，K,X为系数）孔板的特征长度等于零，无法形成附面层保护。
3）环形通道，适用于脏污流。
各工程中现场中的流体都难以保证洁净，多年来，节流装置中采用最多的孔板，由于其下游会形成一个回流区，流体中的脏污物、凝折物等将滞留在这个区域，日积月累，将改变节流比β值，引起流量系数的变化，其次污物还会阻塞测压孔，使孔板难以正常工作。
而内锥式流量的节流部分的环形通道，锥体后未形成滞流区，当流体流过边缘时，因流速高，任何脏污物、凝析物，将被冲走难以滞留。因此它适用于脏污流体，特别是气液、气固、液固二相流体。十多年的使用证明，它已成功地应用于焦炉煤气、高炉煤气、渣油、水煤浆、气液二相流（湿气）……等脏污流体。长期困扰孔板的难题，采用内锥式流量计将迎刃而解。
3、主要技术参数（根据厂家技术资料）
①内锥式流量计标准β值，可按工况，有以下几种：0.45、0.55、0.65、0.75、0.85；
②所要求的直管段上游约0~3D，下游0~1D；
③准确度可达±0.5%；重复性为0.1%；
④采用智能差压变送器；量程比可达15:1以上；
⑤具有自动清除作用，适用流体极为广泛，如气固、液固二相脏污流体均可使用；
⑥压损较孔板小；
⑦压力上限6Mpa，温度上限可达600℃；
⑧未积累足够的实验数据，尚不能像孔板、喷咀一样，无需标定，即可得流量系数；
⑨有待制定标准，促进推广应用。
4、应用范例
在轧钢厂中焦炉煤气是窑炉的主要燃料，由于它将在管道及检测元件上产生积垢，一直困扰着仪表工程师，成为流量测量中的难题。S.S.Oxelosund.(瑞典)推荐SSAB公司将MCCROMETER公司的V-Cone流量计用于轧钢厂窑炉的焦炉煤气流量测量，运行一个月后，该公司仪表工程部的Lekberg先生对于它进行了评估，他说：“我们对它进行了检查，惊奇地发现流量计内部比较干净，而锥体上边没有明显磨损的迹象，对此我们十分满意。”SSAB公司然后将V-cone流量安装在更严酷的条件下进行考核。继续运行3个月后再次检查，Lekberg评价说“经过三个月的试验，虽然是用于严重污染的脏污气体，我认为V-come流量计的性能比我们予计的要好得多，锥体表面没有积垢，也没有磨损。”
这是一个成功的范例，具体应用参数摘要附后：
·产品序号90206Y1 ·管道内径 154.38mm
·被测流体SSAB公司焦炉煤气 ·锥体最大直径 138.33mm
·比重0.44（60℉） ·β值 0.444
·粘度120×10-2CP（厘泊） ·流量系数 0.865
·温度t=35~60℃ ·最大差压 111.12毫米水柱
·压力p=0.1bar（表压） ·量程比 9:1
·流量Q=80~743Nm3/h
五、点滴絮语
1、直管段长度：内锥式流量计问世已十多年，鲜为人知。近二年由于提出了ISO5167新标准，加长了孔板等节流装置所需的直管长度，使孔板难以使用，在不少会议、媒体上出现了一股“内锥热”，认为其所需直管段前为0~3D；后为0~1D，几乎可有可无。内锥的整流作用真的能神奇到这个地步？据了解不少阻力件（如双弯头）后漩涡区的消失就不止1D。
2、量程比：内锥式流量计是一个差压式流量计，这类仪表其流量与输出差压的平方根成正比。而不少技术资料宣传它的量程比可达15:1。一般的差压变速器量程比应为10:1，因此差压式流量计的量程比就只能是3:1。当然，如采用智能差压变送器，则流量的量程比是可以达到15:1，甚至更高的，但这个优点怎能算在内锥式流量计上呢！
3、流动调整器：在制定节流装置标准中，国际标准化组织ISOTC3O多次建议采用流动调器，由于现场的恶劣条件，流体欠洁净，将会带来不少问题，难以达到预期效果。但在流量试验室倒不妨采用，不少试验室由于场地的限制，直管段长度（特别是大口径管道）都未达到要求，没有形成充分发展紊流，所标定的流量系数欠准确。而试验室流体洁净，不易堵塞，便于维护，采用流动调整器，可以在有限的场地达到理想的流速分布，使所标定的流量系数更为准确、可靠。
4、标准化：孔板长期公认为是无需标定而又准确的流量计，为此制定了国际标准（5167）国家标准（GB-2624），因此常用于物流计量及贸易核算中，ISO5167的新标准提出的直管段长度使孔板的应用陷入困境，不少专家建议采用内锥式流量计取代孔板，举出了不少优点，前景诱人。但由于还缺乏足够的试验数据，无论国际还是国内还未制定相应的标准。用于物流贸易核算，目前还缺乏计量法 依据。
5、需理性、勿过热：由于影响因素较多，流量仪表的原理类型之多一向处自动化仪表之冠，各自特点在一定领域（或条件下）发挥作用，某一仪表一统天下的局面，短期还难以形成。在市场竞争中，厂商的过热宣传是可理解的，而工程、学术界的宣传就应实事求是不宜过热。况且内锥式流量计在支持结构、取压点位置、压损等方面还不是那么尽善尽美，有待人们在实用中不断改进与完善。