上游单弯头和闸阀对涡街流量计测量性能影响

郑丹丹，唐兴华，张 涛

(1. 天津大学电气与自动化工程学院天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072；2. 中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300452)

涡街流量计是一种基于流体振荡原理的新型速度式流量仪表，以其对流体物性变化的不敏感性、高可靠性和高精度等特点而被广泛应用于工业现场．自20世纪 60年代末诞生以来，涡街流量计发展迅速，国内外学者分别对旋涡发生体形状[1-4]、信号检测方式[5-7]以及数字信号处理方法[8-10]等方面展开了大量研究工作，并取得了显著成果．随着涡街流量计的推广和使用，其安装影响越来越受到人们的重视，安装环境、使用条件对其测量精度的影响成为需要关注的问题．

英国 Surrey大学和英国国家工程实验室对上游安装单 90°弯头、半开闸阀、不同平面的 2个 90°弯头 3种阻流件情况分别进行了实验研究[11]，讨论涡街流量计安装在其下游的测量精度．日本国家计量科学研究院的Takamto等[12]通过实流实验方法，对4种不同形状的旋涡发生体在 6种阻流件安装条件下的测量性能进行研究，通过分析每种阻流件情况下仪表系数的相对误差，最终给出了安装每种阻流件时保证涡街流量计测量精度所需的最短上游直管段长度，但对后直管段长度并未提及．此外，我国机械行业标准(JB/T 9249—1999)中对涡街流量计在不同阻流件情况下的前后直管段长度也作了相应规定，但是规定中所推荐的直管段均较长，一般涡街流量计现场安装条件根本无法满足．而国外文章中给出的实验结果是否具有普适性，能否直接拿来使用值得推敲．目前国内针对涡街流量计安装使用条件的实验研究鲜见报道．本文针对100,mm口径的涡街流量计开展了基准实验、上游单 90°弯头和全开闸阀影响的实验研究，通过实验数据对平均仪表系数的相对误差、线性度和重复性进行分析与评价，最终给出了上游单弯头、全开闸阀条件下涡街流量计安装的前后直管段长度建议．

1 实验装置

实验是在天津大学天津市过程参数检测与控制重点实验室的水流量标准装置上完成的，实验管径100,mm，图1为实验装置示意．水泵连续将水池里的水送入高位水塔，水塔通过溢流来保持水压的恒定．实验时，水从水塔的下水管引入到实验管道，依次流过标准表电磁流量计、实验样机涡街流量计，最后回到水池，通过调节阀门开度进行流量调节．实验采用计算机控制，实现对电磁流量计、涡街流量计输出信号的实时采集与处理．水流量标准装置精度可达0.1%．

实验样机为横河 DY100-EBLBA1-2D一体型涡街流量计，口径 100,mm．该样机最大特点是采用了基于频谱分析的数字信号处理方法，保证了在较宽的测量范围内具有较高精度．可测流量范围 7.5～248,m3/h，精度可达 1%．但是，受实验装置所能提供的流量范围限制，最小流量只能做到10 m3/h，最大流量可以达到 200,m3/h．由于管道改造后压损增大，最终流量上限只能达到 150,m3/h左右，所以进行实流实验测试的流量范围为10～150,m3/h．

图1 实验装置示意Fig.1 Scheme of the facility

表1 实验方案设计Tab.1 Experimental design

2 实验方案设计

表1给出了此次研究的实验方案设计，共进行基准实验、上游单弯头和全开闸阀 3大类共 23组实流实验，均在图 1所示的实验段 X处进行．其中，基准实验是所有阻流件实验的参考基准，即认为涡街流量计入口为充分发展湍流流动，为其最佳使用条件，此时涡街流量计前直管段长度为 100D(D为管道直径，D＝100,mm)，后直管段长度为10,D．对于单弯头和全开闸阀的实验需要对装置进行改造后才能进行，图2所示为弯头和闸阀实验管道及组件的连接示意．

图2 弯头和闸阀实验管道及组件连接示意Fig.2 Component connection diagram of single bend and gate valve

通过不同管道组件的组合来实现不同前后直管段长度的实验．如表 1所示，弯头实验进行前直管段分别为 1,D、3,D、5,D、10,D、15,D、20,D，后直管段为3,D、5,D共 12组实验，后直管段下游安装一个全开闸阀，作为后直管段长度的结束．同理，全开闸阀实验进行 5种前直管段长度、2种后直管段长度共 10组实验．与弯头实验不同的是，为了消除闸阀上游阻流件(弯头)对流场的影响，在实验段 X上游设置了30,D长的直管段，这样保证了与基准实验比较的差异均由闸阀安装引起．图 3和图 4分别为弯头实验前直管段 20,D、后直管段 3,D安装条件时和全开闸阀实验前直管段 15,D、后直管段 5,D安装条件时的管道现场安装示意．

图3 弯头实验管道安装示意(前直管段20D，后直管段3D)Fig.3 Pipe diagram of bend test(upstream pipe 20D，downstream pipe 3D)

图4 全开闸阀实验管道安装示意(前直管段15D，后直管段5D)Fig.4 Pipe diagram of fully open gate valve(upstream pipe 15D，downstream pipe 5D)

3 实验结果分析与讨论

3.1 实验评价指标

根据涡街流量计检定规程(JJG 1029—2007)，当其安装满足充分发展的前后直管段要求时，评价涡街流量计测量精度的指标有量程比、线性度等．针对本文所讨论的上游存在阻流件且前后直管段改变的情况，评价指标包括平均仪表系数的相对误差、仪表系数线性度和重复性．

每个流量检定点，在第 i次检定时间内，涡街流量计输出脉冲数为 Ni，流经涡街流量计的体积流量为Vi，则该流量点下第i次检定的仪表系数为

整个流量范围内，共检定m个流量点，则涡街流量计平均仪表系数为

2) 线性度δ1

3) 重复性2maxδ

每个流量点的重复性为

m个流量点中2δ的最大值2maxδ即为涡街流量计的重复性．

3.2 实验数据分析

根据实验装置所能达到的最宽流量范围，进行了单弯头和全开闸阀的实流实验．图 5和图 6分别为弯头实验和闸阀实验涡街流量计仪表系数 K随流量Q变化的曲线．图中只给出了流量范围在 24～150,m3/h时相同后直管段情况下改变前直管段长度时的实验结果，虚线位置流量为 28,m3/h．需要说明的是，通过实流实验发现，该流量点是涡街流量计测量性能突变的一个分界点．小于该流量时涡街流量计的测量性能变差，且流量越低仪表系数下降越严重，因此图中仅给出 24,m3/h情况作为说明．表 2列出了基于第 3.1节的评价指标计算出的在分界流量点两侧时涡街流量计测量性能数据．

从图 5和图 6中可以看出，当流量在 28～150,m3/h时，无论是单弯头还是闸阀，实验数据都具有以下特征．

(1) 在相同后直管段条件下，涡街流量计仪表系数随流量的减小而逐渐增大，但在接近下限流量处会有一突降．从涡街流量计工作特性来分析，出现突降点是不合理的．分析可能造成的原因，小流量时涡街信号微弱不易检测，加之实验装置管道振动等干扰因素，会使涡街流量计输出脉冲信号不稳定，造成丢波或漏检．虽然仪表系数的突降会造成涡街流量计测量性能变差，但从表 2的数据可以看出，在前直管段大于等于 5D时，测量性能仍可保证，即涡街流量计仍处于正常工作状态．

图5 弯头实验数据Fig.5 Experimental data of bend test

图6 闸阀实验数据Fig.6 Experimental data of gate valve test

(2) 在相同后直管段条件下，随着前直管段的缩短，涡街流量计平均仪表系数逐渐增大，即曲线逐渐上移．

(3) 与基准实验相比，直管段长度改变对小流量造成的影响比大流量时要大，即小流量时仪表系数偏差更大．

(4) 当前直管段较长时，后直管段对仪表系数的影响不大；随着前直管段逐渐缩短，后直管段越短造成平均仪表系数的偏差越大(见表2)．

对于流量小于28,m3/h的情况，如图5和图6所示在 24,m3/h流量点，前直管段越短，仪表系数下降越严重，造成在整个测量范围(24～150,m3/h)内仪表系数非线性越严重，即线性度越差．此外，前直管段越短，重复性越差．如表 2所示，当流量计上游为单弯头时，只有前直管段为 20,D时能够满足测量精度要求．当为全开闸阀时，由于仪表系数非线性严重，所讨论的直管段长度均不能满足测量要求．由于在24,m3/h时涡街流量计受安装条件影响已显现出较差的测量性能，无法正常工作，因此更低流量点情况在本文不再讨论．

表2 实验数据评价Tab.2 Evaluation on experimental data

3.3 安装使用建议

表2给出了23组实验的数据记录，并基于第3.1节的评价指标和表 3给出的评价方法对数据进行了评价，给出了安装使用涡街流量计的建议．其中“√”表示安装的前后直管段合适；“×”表示安装的前后直管段不合适，上游阻流件对涡街流量计的影响不能忽略．

表3 评价方法Tab.3 Evaluation method

仅对流量在 28～150,m3/h情况给出评价结论：根据表3评价方法，如表2所示，对于上游安装单弯头，前直管段分别为 2,D、3,D，后直管段分别为 3,D、5,D共4种情况时，弯头对涡街流量计的测量影响不能忽略；对于上游安装全开闸阀，除了以上 4种前后直管段组合情况外，当前直管段为 5,D，后直管段为3,D时，闸阀对涡街流量计的测量影响均不能忽略．

4 与国外相关实验数据的比较

将本实验结果与日本国家计量科学研究院Takamto等[12]对涡街流量计安装影响研究的实验结果进行比较，图7所示为涡街流量计在弯头和全开闸阀下游的实验结果[12]，横轴为涡街流量计前直管段长度，以管道直径D为最小单位，纵轴为平均仪表系数的相对误差

图7 涡街流量计安装条件影响实验数据[12]Fig.7 Installation effects of vortex flowmeter[12]

1) 研究内容不同

Takamto等[12]研究了 4种旋涡发生体的涡街流量计在 2种安装角度和 2个雷诺数下前直管段的影响，图 7中所示结果包含了多种因素，是一个综合评价．2个雷诺数分别为3.0×105和7.0×106．

本实验针对一种典型涡街流量计在常规安装角度(水平安装，信号转换器在上方)下不同前后直管段长度组合进行研究，针对性更强．实验雷诺数范围为3.5×104～5.3×105．

2) 评价指标不同

Takamto等[12]的研究中只有平均仪表系数的相对误差作为评价指标，且仅给出了相对误差的分布图(图 7)，没有关注在整个测量范围内仪表系数的特性．

本实验中除关注平均仪表系数相对误差外，还对流量范围内仪表系数的重复性和线性度进行了评价，从图 5和图 6中可以很直观地看出随流量变化仪表系数的变化规律．

3) 结论不同

Takamto等[12]的结论是：当上游存在单弯头阻流件时，涡街流量计所需最短上游直管段长度为 13D；当上游存在全开闸阀阻流件时，涡街流量计所需最短上游直管段长度为5D．

本实验研究的结论：当流量在 28～150,m3/h，涡街流量计上游存在单弯头时，其所需最短上游直管段长度为5,D，下游直管段长度为3,D；上游存在全开闸阀时，涡街流量计所需最短上游直管段长度为 5,D，下游直管段长度为 5,D．当流量小于 28,m3/h时，涡街流量计仪表系数明显下降，已无法正常工作．这说明，阻流件对小流量测量性能影响严重，若仍想保证测量精度，则需牺牲流量测量范围．

5 结 语

通过实流实验定量研究了涡街流量计上游安装单弯头和全开闸阀 2种情况时对其测量性能的影响．共进行了包括基准实验在内 23组实流实验，雷诺数范围为 3.5×104～5.3×105．以平均仪表系数的相对误差、仪表系数的线性度和重复性作为评价指标，最终给出了涡街流量计在2种安装条件下的推荐前后直管段长度：

当雷诺数为 1.0×105～5.3×105，单弯头时，前直管段长度需满足至少5,D，后直管段长度至少3,D；全开闸阀时，前直管段长度需满足至少 5,D，后直管段长度至少 5,D，此时阻流件对涡街流量计的测量影响才能忽略．

当雷诺数小于1.0×105时，由于小流量点的仪表系数严重减小，造成整个流量范围内涡街流量计的测量性能变差：单弯头时，只有前直管段为 20,D时可以保证测量精度；全开闸阀时，前直管段 15,D已无法满足精度要求．因此当涡街流量计安装在如弯头、闸阀等非理想管道条件时，其在低雷诺数时的测量性能需要特别关注．

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