不同精度要求下孔板流量計和V錐流量計的對比
表6-1精度士1%孔板流量計和V錐流量計直管段長度比較
表6-2精度±0.5%孔板流量計和V錐流量計直管段長度比較
在海洋平臺上用于貿(mào)易交接的孔板流量計精度要求達(dá)到±0.5。在保證±0.5%計量精度前提下，對于不同阻流件管道組合形式的安裝條件，孔板流量計和V錐流量計所需的前后直管段長度的比較，如表6-2所示。通過上表可以得到在不同阻流件組合形式下，如果滿足工藝的精度要求，可的安裝直管段長度。
與孔板流量計的實流實驗結(jié)果相比，V錐流量計在復(fù)雜流場下的測量優(yōu)勢顯現(xiàn)出來:
1) V錐流量計無論在理想流場還是非理想流場下所需的前后直管段長度均比孔板流量計明顯縮短，只需前SD后3D即可。
2)當(dāng)流量計上游存在阻流件時，改變前直管段長度對V錐流量計的測量性能影響不大，基本還可以保證精度，但對孔板流量計的測量影響較明顯。因此，在以后的海油平臺設(shè)計中可以考慮將V錐流量計替代孔板流量計，既節(jié)省了設(shè)計空間又能保證設(shè)計精度。
孔板流量計和V錐流量計的結(jié)構(gòu)對比：
V錐流量計作為一種新型的差壓式流量計，其工作原理和孔板流量計相同。介質(zhì)通過V錐時，由于阻流件V錐的存在，使得流體的流過面積發(fā)生變化，從而流速發(fā)生變化。根據(jù)伯努利方程，流速的變化引起壓力的變化，該壓力的變化與介質(zhì)的流速之間存在一定的關(guān)系。因此，可通過測量錐體前后的差壓達(dá)到測量流體流量的目的。雖然與孔板原理一樣，但是***本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置，而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置。
圖6-1 V錐結(jié)構(gòu)示意圖
測量范圍窄是制約孔板流量計使用的主要原因。一方面由于孔板的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化而變化較大，另一方面孔板的突然節(jié)流導(dǎo)致孔板后產(chǎn)生較大的漩渦，該漩渦的存在直接導(dǎo)致測量的差壓信號噪聲較大。而V錐流量計克服了以上的缺點。如圖6-1所示，V錐流量計是由與管道同軸的內(nèi)部節(jié)流件V錐和取壓裝置組成，流體經(jīng)過時并不像孔板那樣突然改變流體的流動狀態(tài)，而是介質(zhì)隨著錐體的方向向邊壁收縮，該錐體起到調(diào)整介質(zhì)流動狀態(tài)的作用，重塑了流束曲線，使流體的流動更加穩(wěn)定。實踐證明，相比于孔板流量計，V錐流量計的流出系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化基本不變，且需要的較短前直管段。
前面章節(jié)的實流實驗的結(jié)果也表明，即使上游存在各種不同類型的阻流件時，對于V錐流量計來說只需3D的前直管段即可保證計量精度在±0.5的范圍之內(nèi)，而對于孔板來說則需要lOD甚至30D的前直管段才能達(dá)到同V錐的同等精度。為了更好的從本質(zhì)上來分析兩種差壓式流量計的差異，采用CFD軟件Fluent分別對兩種流量計在上游存在相同阻流件(即球閥+900彎頭)時的情況進(jìn)行建模仿真。仿真的錐體和孔板部分的壓力云圖以及速度矢量圖如圖6-2至圖6-5所示。
對比圖6-3與圖6-5不難發(fā)現(xiàn)，V錐的下游取壓在錐體尾部，避開了漩渦較大的區(qū)域，處在一個速度較為平穩(wěn)的區(qū)域。而孔板的下游取壓剛好處在漩渦區(qū)域，漩渦的存在導(dǎo)致了孔板下游的壓力信號的采集存在較大的干擾。因此，采用同樣的差壓變送器對兩種流量計進(jìn)行測量時，V錐流量計的差壓信號的信噪比要明顯高于孔板。
圖6-2 V錐錐體部分的壓力云圖
圖6-3 V錐錐體部分的速度矢量圖 圖6-4孔板的壓力云圖 圖6-5孔板的速度矢量圖
如此，在流體流過V錐時，流體介質(zhì)的方向會隨著錐體的邊壁慢慢向管壁收縮，如圖6-3所示，流過錐體之后形成漩渦，無論錐體前端的流體的流動是否得到充分發(fā)展，在錐體尾部還是會存在一個速度相對平穩(wěn)的區(qū)域。而對于孔板而言，它的這種結(jié)構(gòu)使得流束在管道中心突然收縮，在下游取壓處產(chǎn)生較大的漩渦，前端流體是否充分發(fā)展將會對漩渦的特性產(chǎn)生不確定性的影響，這就直接影響著差壓信號的測量。因此，在孔板和V錐流量計的上游均存在相同阻流件時，流體的未充分發(fā)展對V錐流量計的測量產(chǎn)生的影響較小而對于孔板產(chǎn)生的影響較大。即在保證同樣精度下，V錐所需要的前直管段相比于孔板要短。
小結(jié)：
本章主要根據(jù)不同的測量精度的要求下，對孔板流量計和v錐流量計進(jìn)行了一定的對比。根據(jù)上面章節(jié)的實驗數(shù)據(jù)，直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。在士1%測量精度要求下和士o. s%測量精度要求下，分別進(jìn)行了對比觀察，與孔板流量計的實驗結(jié)果相比，v錐流量計在復(fù)雜流場下的測量優(yōu)勢顯現(xiàn)出來:
1,流量計無論在理想流場還是非理想流場下所需的前后直管段長度均比孔板流量計明顯縮短，只需前sD后3D即可。
2、當(dāng)流量計上游存在阻流件時，改變前直管段長度對V錐流量計的測量性能影響不大，基本還可以保證精度，但對孔板流量計的測量影響較明顯。因此，在以后的海油平臺設(shè)計中可以考慮將V錐流量計替代孔板流量計，既節(jié)省了設(shè)計空間又能保證設(shè)計精度。
為了更好的從本質(zhì)上來分析兩種差壓式流量計的差異，采用CFD軟件Fluent分別對兩種流量計在上游存在相同阻流件(即球閥+900彎頭)時的情況進(jìn)行建模仿真。在孔板和V錐流量計的上游均存在相同阻流件時，流體的未充分發(fā)展對V錐流量計的測量產(chǎn)生的影響較小而對于孔板產(chǎn)生的影響較大。即在保證同樣精度下，V錐所需要的前直管段相比于孔板要短。
流量計廣泛應(yīng)用于天然氣、石油等工業(yè)測量中，流量計的測量準(zhǔn)確度將會直接影響到工業(yè)測量市場的運(yùn)行。這對流量計的測量準(zhǔn)確度提出了較高的要求?？装辶髁坑嫼蚔錐流量計廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，安裝條件對流量計的影響很大，有些標(biāo)準(zhǔn)對孔板流量計的安裝條件作了一些規(guī)定，V錐流量計出現(xiàn)的比較晚，還很少有標(biāo)準(zhǔn)對其安裝條件作出規(guī)定，因此安裝條件的實驗研究對流量計的實際應(yīng)用有很大的參考與借鑒的意義。
本文針對孔板流量計和V錐流量計，對安裝條件對其測量準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行了實驗研究，內(nèi)容和研究成果如下:
1)對孔板流量計和V錐流量計的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，針對流量計對測量準(zhǔn)確度要求比較高的問題，說明了本文的研究目的與意義。
2）對孔板流量計和V錐流量計的工作原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，利用伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)出了孔板流量計和V錐流量計的流量測量模型。根據(jù)流體的分類，分別對不可壓縮流體和可壓縮流體進(jìn)行了分析推導(dǎo)?？装辶髁坑嫷难芯勘容^早，有很多的參考和實際研究成果，而V錐流量計的出現(xiàn)時間比較晚，對其結(jié)構(gòu)尚未做標(biāo)準(zhǔn)化工作，對里面的各項參數(shù)也不是很清楚，所以在這里對V錐流量計的理論進(jìn)行分析具有重大的意義，為下面的實驗研究打下了良好的理論基礎(chǔ)。
3)對用于實驗研究的實驗平臺進(jìn)行了設(shè)計研究。對實際的實驗裝置的原理以及每個環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹，在此實驗裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計了計算機(jī)的軟件平臺，用于對實驗數(shù)據(jù)的分析研究，同時對軟件流程進(jìn)行了詳細(xì)地分析闡述。對用于實驗中的阻流件進(jìn)行了選擇， 根據(jù)實驗裝置和實驗的內(nèi)容，對實驗方案進(jìn)行了設(shè)計并對其流程做了簡單的介紹。