1 引言

 

      差壓式流量計，作為傳統的計量手段已有近百年的發展歷史，今天它仍然是應用最多的工業在線流量測量儀表。

 

      差壓式流量計所使用的節流件，主要是標準孔板、噴嘴和文丘里管[1]。鑒于這些節流件的技術性能存在著種種缺陷，為適應現實工業計量的需要，人們先后發明了幾種以孔板、噴嘴為基礎的改型節流件，如環形孔板、錐形入口孔板、四分之一圓孔板（噴嘴）、耐磨孔板[2]、楔形流量計以及V-Cone錐形流量計等。這些改型節流件在某一特定測量條件下可以彌補標準節流件在技術性能方面的某些不足，但使用局限性都很大，測量精度也偏低，美國V-Cone流量計是一種性能相對較好的改型節流件，但因“銳緣磨蝕”而導致的流出系數不穩定問題仍未徹底解決。

 

      由大連索尼卡電子有限公司研發的專利技術產品—內文丘里管，是對傳統文丘里管作了改型的異型文丘里管，它集環形孔板、耐磨孔板和文丘里管的優點于一體，其技術性能優于孔板、噴嘴和經典文丘里管，也優于現有其它各種改型節流件。內文丘里管流量計，是具有獨特性能的新一代差壓式流量測量儀表，在工業計量試用中已取得良好的使用效果。

 

      2 結構與測量原理

 

      2.1 內文丘里管由圓形測量管1和置于測量管內的特型芯體2所構成（參見圖1和圖2）。特型芯體是一個與測量管同軸的旋轉體，其母線是一假想管壁為無限薄的經典截尾文丘里管的管壁軸向截面，即旋轉體的徑向外表面由前段圓錐面6、中段圓柱面7、尾段圓錐面8三部分構成。特型芯體靠其支承軸9、10和與測量管同軸的支承環3、4定位，用制動件壓緊固定（小管徑產品，無前支承軸，只用后軸由后支承環定位固定）。支承環是由具有同軸的內環、外環和將內外環連成一體的3-4個支承肋構成。在測量管管壁的特定位置上設有取壓接頭5（或遠傳法蘭取壓接口），測量管兩端是用于和現場工藝管道相連接的標準法蘭。

 

 

 

      2.2 就基本測量原理而言，內文丘里管與經典文丘里管等傳統差壓式流量儀表的測量原理完全相同，都是以能量守恒定律——伯努力方程和流動連續性方程為基礎的流量測量方法，其基本的直接測量量仍是節流件前后的差壓。如上特型芯體外表面與測量管內表面之間形成一異徑環形腔體（環形間隙），環形腔體沿軸向的過流面變化規律和經典文丘里管相似，這就使得流體流經內文丘里管時的流束變化及其節流過程同流體流經經典文丘里管時的流束變化及其節流過程基本相同。

 

      3 計量性能

 

      3.1 內文丘里管的計量性能以及標準孔板、噴嘴、經典文丘里管的比較，見表1節流件性能一覽表。

 

      3.2 內文丘里管的技術特點

 

      同孔板等標準節流件及各種改型節流件相比，內文丘里管的技術特點集中體現在以下幾方面：

 

表1 節流件性能一覽表

 

節流件性能

 

內文丘里管

 

標準孔板

 

標準噴嘴

 

標準經典文丘里管

 

備    注

 

流出系數

不確定度

 

±0.5%

 

±0.6%～±0.75%

 

±0.8%～±1.2%

 

±0.7%～±1.5%

 

內文丘里管需實流標定

 

量程比

 

10：1以上

 

4：1

 

4：1

 

5：1～10：1

 

當ReD>1×105、β<0.5時，孔板、噴嘴的量程比可大于4：1

 

可膨脹系數

不確定度 

 

±(4+100β8)

 

×△P/P1%

 

±(4△P/P1)%

 

±(2△P/P1)%

 

±(4+100β8)

 

×△P/P1%

 

內文丘里管的差壓△P小，可膨脹性系數不確定度也小，一般可控制在0.1～0.3%之內

 

流出系數穩定性

 

最好

 

差

 

較差

 

好

 

 

 

壓力損失

 

小

 

大

 

較大

 

小

 

 

 

最短直管段

長度要求

 

最短

 

長

 

長

 

短

 

 

 

適用雷諾數范圍

 

4×103≤ReD

 

≤1×107

 

5×103≤ReD

 

≤1 ×107

 

2×104≤ReD

 

≤1×107

 

2×105≤ReD

 

≤2×106

 

ReD<1×104時，內文丘里管量程比要相對縮小

 

適用管道

通徑DN

 

25mm≤DN

 

≤1500mm

 

50mm≤DN

 

≤1000mm

 

50mm≤DN

 

≤500mm

 

50mm≤DN

 

≤1200mm

 

內文丘里管DN也可大于1500mm

 

適測介質

 

各類液體、氣體和蒸汽，包括高溫、高壓流體，低壓、高含濕氣體及臟污流體

 

液體、氣體和蒸汽，不宜測低壓高含濕氣體及臟污流體

 

同標準孔板

 

同內文丘里管，但壓力、溫度及耐腐蝕適用范圍要小

 

 

 

      ① 測量穩定性好。在測量過程中，流出系數能長期保持恒定，這是所有其它節流件所不具備的獨特優點。

      ② 對被測介質適應能力強。可以測量各種液體、氣體和蒸汽，包括潔凈流體和含有固體顆粒的流體、低壓大流量氣體、高含濕氣體以及其它各種臟污流體。

      ③ 測量范圍度（量程比)寬。量程比大于10：1，甚至量程比為15：1、25：1時，在工業測量常用的雷諾數范圍內，流出系數線性度仍可低于0.4%（無需二次表軟件修正），請參見圖3NV2118內文丘里管流量計部分產品實測流出系數分布圖。

      ④ 適用雷諾數范圍寬。適用雷諾數下限低于標準節流件，特別是大大低于標準經典文丘里管。

      ⑤ 對安裝直管段要求短。直管段長度要求比經典文丘里管的要求還要短，對于同樣形式的上游阻流件，最短直管段長度要求只需孔板的1/8左右，因而能有效避免或減小測量系統的附加測量不確定度。

      ⑥ 壓力損失小，約為孔板的1/3～1/5。

 

      4 性能機理分析

 

      4.1 節流件喉部銳緣磨蝕和節流件積污以及量程比太窄，是造成孔板等節流裝置在使用過程中流出系數不能保持恒定的基本原因。內文丘里管節流部位無銳緣，也不存在積污條件，量程比又很寬，因而在使用過程中流出系數能長期保持恒定。

 

      4.2 內文丘里管內置芯體與測量管的組合，在入口前錐面與測量管內圓之間形成一圓錐收縮段，該圓錐收縮段具有與經典文丘里管類似但更強于經典文丘里管入口圓錐收縮段所具有的流動調整（或稱整流、混流）作用。圓錐收縮段流動調整作用的機理是：流體在文丘里管腔內向前流動的過程中，隨著過流截面的逐漸縮小，不但流速逐漸增大、壓力逐漸降低，而且使靠近管壁流動具有速度較低的流體同接近管軸流動具有速度較高的流體形成“混流”，這樣就使原有的較大速度分布梯度愈來愈小，并使得流體在流入腔內之前因流過上游管道阻流件后而發生的偏流、旋轉流等非對稱的速度分布在此得以“矯正”，從而在節流件喉部得到差壓式儀表所需要的均勻速度分布。上述的流動調整作用，內文丘里管與經典文丘里管相似，但其調整力度（均流效果），內文丘里管來得更大，效果更好。這是因為，流體流經經典文丘里管，收縮時形成流體自管壁向管軸推壓，而流體流經內文丘里管，在收縮段形成自管軸向四周管壁推壓，強迫分流。因此，無論是對速度分布梯度的拉平作用還是對非軸對稱流的“矯正”作用，內文丘里管都要強于經典文丘里管。正是這種有效的流動調整功能，才使得內文丘里管的流出系數對流動雷諾數Re和節流直徑比β的變化遠不像孔板、噴嘴等傳統節流件那么敏感，因而內文丘里管的流出系數能在很寬的雷諾數范圍（量程比）內保持良好的線性度。

 

      上述圓錐收縮段的流動調整作用，也是內文丘里管安裝直管段長度要求可以大大低于孔板的一個重要原因。

 

      4.3 內文丘里管內置芯體外表面與測量管內表面之間形成一環形過流縫隙，節流部位的這一幾何特征，恰與環形孔板相似。英國NEL的研究實驗表明，環形孔板在測量過程中，不但流體中的固體顆粒和氣體中的液滴不會在節流部位造成積聚，而且環形孔板與管道之間形成的環形過流間隙對來自上游的流動干擾具有極強的抗干擾能力。NEL提供的試驗數據表明，在嚴重的旋轉流作用下，標準孔板流出系數變化達25%時，環形孔板流出系數的變化尚小于1%[4]。可以說，內文丘里管之所以對上游安裝直管段要求低，主要是因為環形過流縫隙具有很好的流動調整功能。

 

 

 

      4.4 內文丘里管節流件喉部無銳緣存在，芯體的圓柱面與其前錐面、后錐面之間的夾角均為大于120º的鈍角。如此結構形式，恰與前蘇聯學者提出的對標準孔板入口直角銳緣進行倒角的耐磨孔板“銳緣鈍化處理”技術相似。耐磨孔板流出系數穩定的技術特點已為流量測量業內人士所公認。實際上在流出系數穩定這一點上，內文丘里管比耐磨孔板更好，這是因為耐磨孔板只解決了“銳緣磨蝕”問題，而造成流出系數改變的另一重要原因，即孔板“積污”問題仍然存在。只有內文丘里管的結構形式才同時解決了孔板的“銳緣磨蝕”和節流件“積污”問題。

 

      4.5 內文丘里管的結構形式，使其流體節流過程與經典文丘里管相似，流體在流過節流部位時，沒有驟然的收縮與擴散，雖然可以形成測量所必須的壓降（差壓）但并不存在孔板節流所產生的那種容易造成能量損失的渦流，因而永久性壓力損失小。

 

      4.6 內文丘里管抗介質污染力強，取壓口不易堵塞，是靠產品在結構上采取了有兩項防堵措施：一是在取壓口設置阻流件，使取壓口處局部形成相對高壓區，減少流體中粥樣團粒和固體顆粒物質在取壓口處的積聚；二是對特別容易造成取壓口堵塞的介質，采取遠傳法蘭取壓的結構形式。

 

      4.7 內文丘里管的制造要比經典文丘里管容易，測量管和芯體幾何尺寸及芯體與測量管之間的位置公差，都能嚴格控制，即使是較大管徑也無多大困難。結構上工藝性好，易于精密制造，是內文丘里管實現高測量精度的重要保障，也是可以采用不同材質制造、能適應各種測量條件的主要原因。

 

      5 可膨脹系數的確定方法

 

      內文丘里管作為差壓式流量計，同標準孔板、噴嘴、文丘里管一樣，在用其測量可壓縮性流體時，在流量計算公式中，必須引入一個小于1的可膨脹系數ε。GB/T2624標準規定可膨脹性系數ε采用計算值，并給出了兩個ε計算公式。一個是用于標準噴嘴、文丘里噴嘴和經典文丘里管的理論計算公式；一個是用于孔板的經驗計算公式。

 

      由可膨脹性系數的物理含義可知，節流件的類型（結構形式）決定其對上述兩個計算公式的適用性。根據《流量測量工程手冊》[3]，凡節流件廓形呈曲面、流通截面是逐漸縮小（不是突然收縮）的，流體流過這種節流件時的實際最小流束截面與節流件廓形形成的最小流通截面近乎相同，這類節流件的ε值的計算方法都適用于理論計算公式。顯然內文丘里管屬于逐漸收縮型節流件，因而ε值的計算方法也適用理論計算公式。內文丘里管ε值適用理論計算公式的正確推論，已由中國計量科學研究院、國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站對同一臺NV內文丘里管分別用水實測流出系數C值和用天然氣實測流出系數與可膨脹性系數的乘積εC值的實驗結果所驗證：DN50mm，β=0.55， △P/P1=0.04時，流出系數C=0.8177，εC=0.7967，實驗換算ε=0.9743，理論計算ε=0.9746，ε的理論計算值與實驗換算值相符。

 

      6 應用與發展前景

 

      內文丘里管的優異技術性能，對解決目前公認的所謂“大流量、低壓力、高含濕氣體的計量”難題和煤氣、非潔凈天然氣等臟污流體的計量難題，將會發揮重要作用；對于那些目前不得不仍在使用著孔板等傳統差壓式儀表但又非常需要提高測量精度、改善計量效果的計量場合，內文丘里管將成其理想的換代產品；

 

      內文丘里管配之以精密型差壓變送器和智能型二次儀表，能實現長期穩定、準確地在線計量，可以部分地取代振動式質量流量計、氣體超聲流量計等高價位流量儀表。此外，內文丘里管對于現場不具備長的直管段安裝條件，特殊的高溫、高壓、強腐蝕性和臟污介質以及非單相流的測量等計量場合也都具有獨特的計量優勢。

 

      內文丘里管產品自開發以來，已成功地試用于計量高含濕天然氣，低壓臟污沼氣，焦爐煤氣，瓦斯氣，水蒸氣、熱水，高溫熱媒油等，實際應用范圍正在迅速擴大。

 

      目前內文丘里管的準確流出系數還必須實流標定，這給使用帶來一定的不便。內文丘里管完全可以采用干標方法，這在技術上并不存在問題，只是需要建立相應的行業或國家技術標準。相信隨著內文丘里管流量計的廣泛應用，在不久的將來，采用干標的方法，一定會成為現實。

 

      7 結束語

 

      內文丘里管流量計克服了孔板等傳統差壓式儀表的計量弊端但仍不失其結構簡單、工作可靠之特點 ，內文丘里管作為新一代差壓式流量測量儀表給傳統差壓式流量測量技術帶來了全新的發展活力，具有其廣泛的實用性，它的良好發展前景是顯而易見的