用确定流速分布的方法解决大管道气体流量计量问题

    0　引　言

    近年来,很多大管道气体流量检测仪表采用的原理是速度面积法,即仅测取管道中一点或多点的流速来推算管道流量,安装形式为插入式。这类仪表的共同特点:结构简单、安装维修方便、价格低廉和重复性好,是工控系统中检测大管道气体流量性价比较高的仪表^[1]。在管道口径(大于300 mm)时,均速管流量计压损小、节能、结构简单和拆装方便等优势更加明显。

    均速管流量计是基于早期皮托管(Pitot)测速原理发展起来的,它是以测管道中直径(圆管)或长与宽(矩形管)上几点的流速来推算流量的一种插入式流量仪表。

    在国内倡导建设节约型社会的前提下,均速管流量计被广泛运用于大口径、大流量气体介质管道的测量中。西气东输工程中,在内径为1 000 mm的干线管道上,选用了50台均速管流量计,占总量的52%^[2]。此外,均速管流量计在国内电力、冶金、石化等行业中,也得到广泛应用。

    针对均速管流量计输出差压小、精确度低,忽视管内径对精确度的影响等缺点推出的一项专利产品———均速环流量计。它由双文丘里管测低压,提高了输出差压,用多根均速管充分反映了管内的流速分布等一系列措施,改善均速管的技术特性,已引起国内外厂商及用户的关注[3]。

    1　方法分析

    笔者建议,在可能的情况下,针对不同管道的特定截面使用精度较高的流速计测量其速度分布曲线及一定流速范围内的速度分布曲线的变化趋势,就可以根据速度分布公式推出该面的速度分布情况,最后通过速度面积法得出流量。

    对于圆管内速度分布式的研究,最经典且最常用的是Nikaradse于1932年提出的指数分布模型(如图1所示)。v是管道截面上一点的流速;r代表管道内相对于中心轴线的位移;R代表管道半径,则v和r在理论上满足公式:

    该模型所描述的流速分布在管壁附近(r =R)和管道中心(r =0~0.2R)两处,无论雷诺数为多少,均与实际情况有较大偏离。因此,用该模型来拟合实际管道中的流速分布吻合度不够高。

    从边界层的半经验理论出发,考察圆管中充分发展的湍流问题。整个边界层可分为粘性底层、缓冲层和湍流核心层三部分[5],以下三位学者分别提出了按边界层分段的速度分布公式:

    这些经典的分段式模型与实验数据吻合得较好,但必须考虑自变量范围分段计算的过程,增加了实际工程计量的难度。为解决这一问题,国内有学者于20世纪80年代对Spalding式进行了改进,得到了统一描述整个管道截面上的速度分布模型如下^[7-8]: