分析了噴嘴流量計測量工況蒸汽流量時，在其直管段長度不能滿足標準規(guī)定的情況下，利用標定試驗和流場計算得出應(yīng)用系統(tǒng)初步結(jié)論的過程。

1、概述

　　由于噴嘴流量計具有耐高溫高壓、耐沖擊、使用壽命長等特點，在工業(yè)上仍然廣泛采用噴嘴流量計進行蒸汽流量測量。在實際使用過程中，很多情況下直管段長度難以滿足標準要求，這給測量準確度帶來較大影響。目前國內(nèi)尚無公開文獻資料對該情況提供準確測量數(shù)據(jù)，本文針對噴嘴流量計前直管段6D 開展了相關(guān)試驗和計算，取得了初步的成果。

2、測量分析

　　流量測量系統(tǒng)采用ISA 1932 噴嘴流量計，管道尺寸為Ф219mm × 7mm，節(jié)流裝置直徑比β 為0.678 773。實際使用時在噴嘴流量計前設(shè)有三通和蝶閥，系統(tǒng)連接如圖1 所示。

　　(1) 流量測量

　　根據(jù)GB /T 2624 - 2006 要求，用噴嘴流量計測量充滿圓管的流體流量時，噴嘴流量計安裝在直管段的要求見表1。

　　當(dāng)噴嘴流量計按照GB /T 2624 - 2006 的直管段要求使用時，測量精度完全能夠滿足設(shè)計要求，并且有充分的試驗數(shù)據(jù)和標準保證。但當(dāng)噴嘴流量計的直管段長度不能滿足GB /T 2624 - 2006 規(guī)定的要求時，目前在流量測量領(lǐng)域還沒有試驗數(shù)據(jù)和相關(guān)標準可以參考，只能根據(jù)具體的安裝情況進行試驗和仿真計算。

表1 噴嘴流量計所要求的最小直管段長度

1. 水流量標準裝置2、4. G219 × 7 3. 節(jié)流裝置5. 差壓變送器6. 三通7. 蝶閥

圖1 噴嘴流量計測量系統(tǒng)

　　由于標定條件的限制，噴嘴流量計的標定一般采用水流量標準裝置進行，這是因為噴嘴的流出系數(shù)C 只與雷諾數(shù)有關(guān)，實測流出系數(shù)與理論流出系數(shù)的誤差大小直接反映噴嘴在實際工況時的測量精度。因此，只要雷諾數(shù)相同，不管用什么流體對節(jié)流裝置進行標定，標定結(jié)果都是相同的，這也是采用水流量標準裝置對蒸汽流量測量節(jié)流裝置進行標定的理論基礎(chǔ)。

　　式中C———噴嘴流出系數(shù)；β———節(jié)流裝置的直徑比( d /D)；ReD———雷諾數(shù)；D———管道內(nèi)徑；v———管道中流體的平均軸向速度；υ———流體的運動粘度

　　對于同樣的質(zhì)量流量，蒸汽對應(yīng)的雷諾數(shù)較水對應(yīng)的雷諾數(shù)要大得多，因此水流量標準裝置無法完成蒸汽流量測量節(jié)流裝置在全量程范圍內(nèi)的標定，而只對其低量程段進行標定，標定結(jié)果在高量程段適用。

　　(2) 標定試驗

　　為了分析噴嘴在實際安裝條件下的測量精確度，對噴嘴進行了流量標定試驗，利用水流量標準裝置在最大范圍內(nèi)對噴嘴的測量精度進行了標定，并得到了不同直管段長度下噴嘴的測量精度。標定試驗在上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所，根據(jù)JJG640 - 1994 要求，利用水流量標準裝置對噴嘴進行了流量標定試驗。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將流量標定點設(shè)置為500m3 /h、460m3 /h、420m3 /h 和380m3 /h，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 直管段1.2m 流出系數(shù)誤差及重復(fù)性誤差

　　(3) 流場計算

　　對于水流量標準裝置無法標定的工況，通過建立數(shù)字化模型對管道內(nèi)蒸汽流動的動量修正系數(shù)進行計算，分析高、低工況時蒸汽流場的分布，推導(dǎo)低工況時標定試驗所取得的測量精度在高工況時的有效性。蒸汽管道內(nèi)的流場計算采用流體力學(xué)分析計算軟件Fluent。根據(jù)圖2 所示的蒸汽隔艙閥和噴嘴安裝情況，建立了基于realizable k - epsilon 紊流模型對內(nèi)置雙蝶閥管道內(nèi)部蒸汽流動進行定常數(shù)值模擬。

1. 噴嘴2. 三通3. 蝶閥

圖2 流場計算數(shù)學(xué)模型

　　流場計算時管道內(nèi)徑為205mm( Ф219 × 7) 、蒸汽壓力為2. 1MPa( 表壓) 的飽和蒸汽。流場計算完成了蒸汽流量分別為10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h時，直管段長度為1. 2m 的蒸汽流場分布計算和流體動量修正系數(shù)計算。

　　蒸汽流量分別為10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h時，直管段1. 2m 處蒸汽流場分布如圖3 所示。

(a) 流量為10t /h (b) 流量為24. 9t /h(c) 流量為58t /h (d) 流量為83t /h

圖3 直管段1 200mm 處蒸汽管道內(nèi)速度場分布

　　由圖3 可見，同一橫截面處，管道內(nèi)蒸汽流量處于不同工況時，其流體流態(tài)基本一致，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為即蝶閥對流體流態(tài)的影響與流量大小基本無關(guān)。流體在管道中速度分布的均勻程度可用動量修正系數(shù)α 衡量。一般而言，對于圓管紊流其動量修正系數(shù)α 為1. 005～ 1. 05 之間，α 越小則斷面速度分布越均勻，流體流場越穩(wěn)定。

　　式中A———管道截面積；u———流向速度；U———截面質(zhì)量平均速度

　　蒸汽流量分別為10t /h、24. 9t /h、58t /h 及83t /h時，1. 2m 處的動量修正系數(shù)如表3。

表3 動量修正系數(shù)計算結(jié)果

　　從表3 可見，10t /h、24. 9t /h、58t /h 和83t /h 工況下各斷面的動量修正系數(shù)均小于1. 016，處于圓管紊流( 動量修正系數(shù)α 為1. 005 ～ 1. 05 之間) 的狀態(tài)。隨著前直管段長度的增加，管道內(nèi)的動量修正系數(shù)逐漸減小，蒸汽的速度不均勻度逐漸減小，流態(tài)越來越穩(wěn)定。

3、結(jié)語

　　結(jié)合標定試驗和流場計算結(jié)果可見，在低工況下進行標定試驗得出的流出系數(shù)誤差，在高工況時同樣適用。高工況下噴嘴流出系數(shù)誤差應(yīng)與低工況基本一致，即低工況下的流量標定結(jié)果適用于全量程段。