多孔孔板流出系数和压力损失的影响因素

于洪仕 张 涛 葛利俊

(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2.辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105； 3.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司承德石油机械有限公司，河北 承德 067000)

多孔孔板流出系数和压力损失的影响因素

于洪仕1,2张 涛1葛利俊3

(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2.辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105； 3.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司承德石油机械有限公司，河北 承德 067000)

对管径100mm、节流比β=0.67的不同结构的多孔孔板实验样机在标准水装置上进行了实验，结果表明：节流孔分布形式、倒角和厚度对多孔孔板的计量性能均有影响，但影响程度不同，倒角对流出系数和永久压力损失的影响最强，厚度对多孔孔板的流量下限影响最强。

多孔孔板 流出系数 压力损失 量程范围

标准孔板由于其结构简单、牢固、标准化、科研数据充分及无需标定等优点而广泛应用于石油、天然气及化工等领域[1～3]。但随着新型流量仪表的迅速发展，孔板式流量计测量准确度不高、量程范围窄及安装条件苛刻等缺点影响了它的发展[4]。为了克服这些缺点，发挥固有优势，科研人员对此进行了大量的研究。Reader-Harris M J等收集了美国与欧洲的实验数据并建立新的数据库[5，6]，在此基础上拟合出被国际接受的标准孔板流出系数公式，避免了各国由于使用不同的流出系数计算公式而出现的贸易偏差，并且利用CFD技术对标准孔板流出系数受脏污影响进行分析，为孔板在工作过程中的故障诊断提供依据。这些研究工作对标准孔板的应用与发展起到了很大的作用，但是没有根本解决压损大、量程比小的缺点。2006年，多孔孔板流量计在美国获得专利和商业许可证。相对于标准孔板流量计，多孔孔板流量计具有一定的优越性。在国内，多孔孔板流量计应用广泛，但技术核心研究较少。多孔孔板流量计是在一个圆盘上分布多个节流孔，节流孔的分布方式、结构及孔板厚度等没有统一的标准。计量精度和压力损失是评价孔板流量计性能的重要指标，笔者以管径100mm为例，设计了节流比相同、结构不同的多孔孔板实验样机，对节流孔的分布方式、倒角和厚度对多孔孔板的流出系数、量程范围和压力损失的影响规律进行实验研究。

笔者结合圆形管道内充分发展的湍流速度剖面，以结构如图1所示的多孔孔板为研究对象进行实验。

图1 多孔孔板的结构

多孔孔板流量计的工作原理同样基于能量守恒定律和质量守恒定律。不可压缩流体的体积流量计算公式为：

(1)

式中C——流出系数，无量纲，该参数从实验中获得；

ds——节流孔等效直径；

D——孔板直径，mm；

Δp——压差，Pa；

qv——体积流量，m3/s；

β——节流比；

ρ——流体密度，kg/m3。

2 评价指标和影响因素

2.1评价指标

流出系数线性度δl和永久压力损失Δω是评价节流式流量计计量性能的重要指标，表达式分别为：

(2)

Δω=Δp″-Δp′

(3)

流量下限是决定量程范围的关键因素，笔者取δl≤0.5%的线性区内的最小流量点为流量下限。

2.2影响因素

多孔孔板的厚度t、节流孔型式和节流孔分布疏密度s是影响计量性能的主要因素。本文中，节流孔型式主要分为孔口有倒角和无倒角两种。本节将重点介绍节流孔分布的疏密度。

多孔孔板的节流孔分布具有分散性和多样性的特点，节流孔之间和节流孔与管壁之间存在一定的间距，介质经过多孔孔板后将产生与间距成一定比例的旋涡区[7～9]，从而影响计量性能。由于节流孔之间和节流孔与管壁之间的间距变化较大，难以逐个描述，因此提出疏密度这一概念，用来表征节流孔的分布方式。假设一块多孔孔板的节流孔由中心节流孔与N层孔组成，每层孔的个数为ni，第i层相邻节流孔边缘之间的的最小距离为li；当j=0和j=N时，kj,j+1分别表示中心孔边缘与第一层孔边缘之间的最小距离和第N层孔边缘与管道内壁之间的最小距离；当j为其他值时，kj,j+1表示第j层孔与第j+1层孔边缘之间的最小距离。疏密度s的表达式为：

(4)

3 实验方案

实验研究是在天津大学流量实验室水流量装置上完成的，实验流程如图2所示。整个实验采用水塔稳压，流量稳定性为0.1%，流量范围为0.005～800.000m3/h，称重法的不确定度为0.05%，标准表法的不确定度为0.15%[10]。笔者采用称重法对实验样机进行实验。图3为测量永久压力损失的实验布局，流体从左侧流入，样机上游直管段长度为100D。多孔孔板流量计采用法兰取压，通过差压变送器1测得压差Δp。差压变送器2测得多孔孔板流量计产生的压损Δp″，上游取压孔距离孔板上游壁面1D，下游取压口距离孔板下游壁面6D。所有样机均在4×104～5×105的雷诺数范围内进行实验。为了研究疏密度、厚度和节流孔型式对多孔孔板流量计计量性能的影响，笔者设计了口径为100mm的实验样机一套，实验多孔孔板17个，等效直径比均为0.67。

图2 实验装置

图3 实验布局

4 实验结果与分析

4.1实验结果

笔者以样机A、B、C、AC、BC、CC和BC(t*)来研究疏密度s、倒角和厚度t对多孔孔板计量性能的影响。A、B、C为节流孔无倒角、厚度t=8mm的多孔孔板，如图4所示；AC、BC、CC是A、B、C的节流孔上下游端面带45°×1mm倒角的多孔孔板；样机BC(t*)是以BC的节流孔型式和布局方式为基准，厚度t取值为t*的多孔孔板，t*的取值分别为5、6、7、8、9、10、11、12mm。表1、2为各样机在标准水装置上的实验结果，表中带括号的实验结果与括号中的样机相对应。Rdown为流量下限，Rdown=Re/105，r为各样机的永久压力损失与同β值的标准孔板的比值，表达式为：

(5)

其中，ΔωM、ΔωS分别为多孔孔板和标准孔板的永久压力损失。

图4 实验样机

样机CRdownr/%δl/%A(AC)0．645(0．885)1．1(1．0)81．3(53．2)0．5B(BC)0．678(0．915)74．5(43．2)C(CC)0．780(0．946)68．1(38．9)

表2 不同厚度样机的实验结果

4.2各因素对计量性能的影响规律

疏密度对计量性能的影响。平均流出系数C随着疏密度s的减小而增大；流量下限Rdown几乎不随着疏密度s的变化而改变；永久压力损失Δω随着疏密度s的减小而降低。

倒角对计量性能的影响。相对于孔口无倒角的多孔孔板，孔口倒角对多孔孔板的计量性能影响为：流出系数增大，流量下限Rdown降低，永久压力损失Δω减小。

厚度对计量性能的影响。平均流出系数C随着厚度t的增加而增大；流量下限Rdown随厚度t的增加而升高，并且在厚度t≤10mm时，Rdown升高速度缓慢，在厚度t>10mm时，Rdown升高速度加快；永久压力损失Δω随厚度t的增加而增大。

从上述分析结果可以看出，疏密度s、倒角和厚度t对多孔孔板的流出系数C、流量下限和永久压力损失均有影响，但影响程度是不同的。笔者以样机BC(5)、B、BC(8)、BC(12)、CC为例分析各因素对流出系数C、流量下限和永久压力损失的影响程度。从表1、2的实验结果可以看出，倒角对流出系数和永久压力损失的影响程度最大，厚度对多孔孔板的量程下限影响程度最大。

5 结束语

笔者以管径100mm、节流比β=0.67的多孔孔板为研究对象，通过大量实验得出了孔板的厚度、疏密度和节流孔的倒角对多孔孔板流量计流出系数、流量下限和永久压力损失的影响规律，对多孔孔板流量计的性能优化具有指导意义。

[1] 周人.A+K平衡流量计的独特性能和典型应用[J].医药工程设计，2011,32(3):54～57.

[2] 马太义,王栋,张炳东,等.多孔板流量测量的实验研究[J].核动力工程,2010，31(2):126～130.

[3] Zhao T Y,Zhang J L.Experimental Investigation of Key Parameters Pertinent to Multi-hole Orifice Throttling Characteristic[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2008,15(1):9～12.

[4] 毛新业,秦自耕.流量仪表发展概述[J].中国仪器仪表，2007,(8):28～32.

[5] Reader-Harris M J, Sattary J A,Spearman E P.The Orifice Plate Discharge Coefficient Equation—Further Work[J].Flow Measurement and Instrumentation,1995,6(2):101～114.

[6] Reader-Harris M, Barton N, Hodges D.The Effect of Contaminated Orifice Plates on the Discharge Coefficient[J].Flow Measurement and Instrumentation,2012,25(3):2～7.

[7] 董志勇.射流力学[M].北京：科学出版社,2005.

[8] 槐文信,李炜.双孔平面射流和卷流混合点的研究[J].水利学报,1993,(9):55～61.

[9] 张晓远，槐文信，李炜.多孔平面射流混合区流动的数值计算[J].应用基础与工程科学学报，1994,2(4):382～387.

[10] 李彦梅,徐英,张立伟,等.上游单弯头对内锥流量计性能影响的仿真与实验研究[J].仪器仪表学报,2009，30(6)：1195～1201.

InfluencingFactorsforDischargeCoefficientandPressureLossofMulti-holeOrificePlate

YU Hong-shi1,2, ZHANG Tao1,GE Li-jun3

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Huludao125105,China;3.CNPCBohaiEquipmentChengdePetroleumMachineryCo.,Ltd.,Chengde067000,China)

The prototypes with 100mm pipe diameter，throttling ratio ofβequal to 0.67 and different structures were tested on a standard water device to show that the throttling holes’ distribution and the chamfering and the thickness can influence the measurement performance of this multi-hole orifice respectively although their influence degrees differ, of which, the chamfering influences the numerical magnitude of discharge coefficients and the permanent pressure loss most, and the thickness affects the measurement range greatly.

multi-hole orifice plate, discharge coefficient, pressure loss, measuring range

TH814

A

1000-3932(2016)01-0020-04

2014-04-17(修改稿)