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怎样科学、全面地评估内锥流量计发布时间：2010-03-31 摘要：内锥流量计作为一种新型的节流装置，确有一些如要求直管段较短、抗脏污等优点，但它是否为一种理想的节能仪表，是否是实现监测节能降耗唯一、最佳的选择而亟待大力推广，业内不少专业人士看法不一。笔者认为，从准确度和永久压损两个方面来讲内锥流量计并非为理想的节能降耗监测仪表。近两年，在不少专业期刊上都可看到呼吁“从节能降耗要求看推广应用内锥流量计的必要性”的文章（以下简称该文）。内锥流量计作为一种新型的节流装置，确有一些如要求直管段较短、抗脏污等优点，但它是否为一种理想的节能仪表，是否是实现监测节能降耗唯一、最佳的选择而亟待大力推广，业内不少专业人士看法不一。笔者认为，从准确度和永久压损两个方面来讲内锥流量计并非为理想的节能降耗监测仪表。节能监测流量仪表的要求当前，节能减排已是我国经济建设的重中之重，用仪表进行科学评估是行之有效的方法，流量仪表在其中占有重要的地位，它应具有以下两个基本条件： 准确度较高用于监测节能降耗的流量仪表应具有一定的准确度，否则就难以用数据明确地说明节能效果控制工程网版权所有，也无法进一步采取节能措施。因此，国标GB17167对流量仪表的准确度都有明确规定，一般为12.5级。 永久压损不宜过大流量仪表在此是监测节能降耗的，但它本身不仅不能节能，还须消耗能量，其压损大小与仪表的结构有关，在此特定情况下，应首先选择那些压损不大的仪表。内锥流量计发展过热内锥流量计（V-Cone flowmeter）是美国MCCROMETER公司于上世纪八十年代研制并推向市场的。二十年来，在国外主要用于测量气体、气固、气液二相脏污流体的流量，取得了较好的效果。2003年初，国际标准化组织公布并要求实施节能装置新标准ISO5167：2003E。与旧标准相比，它对经典节流装置前直管段长度提出了更为苛刻的要求，应用现场难以满足，用户普遍寻求一种对直管段长度要求较低的仪表CONTROL ENGINEERING China版权所有，内锥流量计恰好具备了这个特点，再加上我国近两、三年来举办了几十次研讨会、学习班，在“扬长避短”的热炒下，内锥流量计在全国遍地开花，形成了过热的现象。以十七届MICONEX2006为例，国内外展出内锥流量计的厂商共33家，其中国外（含合资企业）仅3家，约占9%，国内展出厂家占91%，而其它产品国外展商大约占40%左右。不仅如此，国内展出的内锥流量计均为国外仿制品，没有创新，这种低水平的重复就造成了市场中激烈的压价竞争恶果。内锥流量计技术特点 要求前直管段长度较短。由于存在内锥，流体在流量计中的流动形成了两个特点：a.内锥所形成的环形通道逐渐减小，使流体流速加大、压力降低控制工程网版权所有，这种流动在流体力学实验中证明是可以减小、甚至消除漩涡的。b.内锥与管壁之间形成了环形通道，它在内锥直径最大的地方形成最窄的通道，其作用类似于流动调整器的管束，具有减少漩涡、改善流动方向的作用。内锥流量计的内锥不仅具有节流作用，还具有整流作用，相当于附加了一个流动调整器（Flow Conditioner）。因此，它可以在直管段不够长的情况下，较其它节能装置能获得更高的准确度。 准确度在应用条件下达不到0.5%。流量仪表的准确度不仅取决于本身，还取决于使用条件。只能说在直管段长度不足的条件下，内锥流量计由于环形通道的整流作用，准确度有可能优于经典式节流装置（孔板、喷嘴）。而由于生产加工、安装和现场条件等因素的影响，其准确度往往达不到该文所宣称的0.5%。天津科特公司是一个研制、销售内锥流量计的专业公司，其所公布的数据较为可信，该公司曾对口径从15mm至1600mm不同v 值下的内锥流量计做了大量的检定工作，部分数据列于表1。表1所示的数据表明，当口径较小时（小于150mm），由于内锥的加工、安装比较精确CONTROL ENGINEERING China版权所有，流出系数的离散性约为1.5%；而当口径为600mm800mm时，由于加工、安装较差，流出系数离散性将达到5%左右。这里还要强调：该公司所标定的内锥流量计v为0.430.6，有利于减小离散性，如大于0.85，离散性还将加大。流出系数的离散性还不是仪表的准确度，准确度还应包括校验装置的流量不确定度。 内锥流量计的压损。由于通道在内锥后突然扩大，流体将在内锥后产生大量的漩涡，这是一个不可逆的非等熵过程，动能不可能无损地转变为位能，压损大是必然的。a.内锥与孔板的压损相差无几，内锥流量计永久压损的计算公式为： Pe /P=（1.3-1.25 v ）式中：P e 永久压损；P 输出压差；v 直径比。根据不同的v值，计算孔板、内锥两种流量计的DPe /DP比值，列于表2，绘于图1。图1 各种节流装置值与永久压损的关系从表2及图1可见，内锥的压损比孔板小，而大于喷嘴，特别是当bv 值小于0.55时，相当于孔板的90%，而不是如该文所说的1/4。b.管径较大时，压损才应引起足够的重视。我们对不同口径的三种差压计量计（内锥、孔板、均速管）因永久压损而带来的年运行费进行了计算。结果表明：在口径较小时（小于150mm）年运行费相差并不大，当管径增加1倍，年运行费增加4倍CONTROL ENGINEERING China版权所有，呈几何级数增长控制工程网版权所有，因此只有当管径较大时，压损所造成的经济损失才应引起足够的重视，更不宜以此排斥其它压损较大的流量仪表（如孔板、容积、科氏等）在口径较小时选用。技术特点相互制约内锥流量计的一些技术参数是相互关联、相互制约的，不可能同时都处于最佳状态，如： 要在直管段较短的情况下取得较高准确度，就应选用较小的v 值（0.450.6），而在此v下，永久压损即相当于孔板的88%96%，失去了压损小的特性。 如该文所建议取v 值为0.8以上，内锥的压损可下降为孔板的58.5%，约一半；而这样选用的结果是降低了整流效果，失去了在直管段不长情况下仍能维持较高准确度的特点。综上所述，对于能源监测流量仪表的两个基本条件：较高的准确度和较低的压力损失，内锥流量计顾此失彼，难以兼顾，这是不能随意忽视的客观事实。因此，它不是能源监测最理想的流量仪表，更谈不上“从节能降耗看亟待推广应用内锥式流量计的必要性”。其他不足 取压点未必合理内锥流量计的高压点P1取自前方管壁，如该文所说前直管仅03D,此处还可能存在漩涡，未必是位流，P1不能准确地反映该截面的静压；低压P2取自内锥尾部漩涡区的中心，通过细管转至管外，如果流体中含有粉尘、凝析物、纤维等物体，则低压孔及导压管常易堵塞。现场已不乏这种案例。 内锥体的固定薄弱内锥体通过一个悬臂杆固定在管内壁上，流体在内锥后形成的漩涡必将引起振动，形成安全隐患，特别是所测流体密度大、流速高（如：高压蒸汽），选用应特别慎重。已听说发生支杆因振动折断的事故。图2 两种环形通道流量计原理图改进产品根据上述内锥流量计存在的不足，已提出相应的改进，如梭式流量计（图2）。该产品在内锥后附加了后锥体，使动能得以顺畅地转换为位能，减小了压损；其次，梭体通过三个中空、流线型支杆固定在管内壁上，力学结构稳固。当直管段不足时，支杆还可起均速管的作用，迎流体有几个总压孔，用以测环形通道中的流速分布控制工程网版权所有，以弥补因流速分布不均所引起的误差。梭式流量计已于2005年10月由我国专利局授权，是我国具有独立知识产权的产品。该仪表近期已进行初步测试，样机内径100mm，v=0.64。测试表明：流出系数误差小于0.5%，量程比10:1，重复性约0.1%，压力损失Pe/P=0.205，仅相当于内锥在相同情况下的1/3。无法完全取代传统流量仪表1. 目前尚不存在十分完善的流量仪表。由于影响流量仪表的因素较多，现场条件也千变万化，因而流量仪表原理有十余种，类型有200多个。犹如各种不同的药品可治疗不同的疾病一样，目前还没有哪一种流量仪表完善到足以取代其它流量仪表。虽然市场的发展趋势有利于新型流量仪表（超声、电磁、科氏）的发展，但由于传统流量仪表（经典节流装置、容积、转子等）安装基数很大，替代更新并非一朝一夕，而将是一个漫长的过程，内锥流量计亦然。2. 评价应实事求是。内锥流量计的优点应肯定，不足之处也不能回避。在与其它仪表进行性能比较时应采取同一标准。如对比内锥与孔板永久压损时，为什么孔板的v值取0.50.6，而内锥只取0.85，即使这样，也得不到内锥压损仅为孔板的1/4的结论。内锥流量计实际应用的v值，一般推荐为0.450.7，很少采用0.85，这样才具有一定的整流效果，现就以该文所举的两个成功应用范例来说明： 国外用于瑞典SSAB的内锥流量计v为0.44； 用于国内云南曲靖的bv为0.504，都不是0.85。推广应用的前提是标准化目前，内锥流量计由于过热的宣传，生产厂家不少于百家，都是照搬国外技术，更未积累在各种应用条件下的实验数据。反观呼吁要被取代的经典节流装置，不仅经过近百年的应用、考验，积累了各种条件下数以万计的实验数据，在此基础上制定了相应的国际标准ISO5167（国标GB/T 2624与其等同），在应用中，特别是在产生贸易纠纷时也有法可依、有章可循。在软实力上，内锥流量计与经典节流装置存在较大的差距。内锥流量计虽有一些无可争议的优点，但要取代一种应用近百年、唯一可以干标、在市场仍占有较大份额的孔板CONTROL ENGINEERING China版权所有，不能只靠宣传，而是要做大量脚踏实地的技术工作，完成标准化才有可能。用实验数据进行科学评估内锥流量计近年来已呈现过热的现象，也引起不少争议，孰是孰非，各执一词。最公正的办法就是用实验数据进行科学评估。既要肯定优点，也要看的不足。欣悉某行业协会已将此列入今年计划，虽然不可能期望做点实验就可制订标准，立即大力推广。但至少对一些争议会有一个公正的评定CONTROL ENGINEERING China版权所有，如：用实验数据来验证本文提出的内锥压损计算公式；是否在任何情况下前直管段仅需03D仍可保证0.5的精确度。它将有助我国工程界正确、合理地选用内