上下游闸阀对内锥流量计性能影响的实验研究

　　1 引 言

　　内锥流量计自 20 世纪 80 年代问世以来，已成功应用于石油、化工、天然气、多相流等许多流量测量领域。与标准孔板流量计不同[1]，内锥流量计尚未实现国际国内甚至行业范围内的标准化，目前仅获得加拿大工业部的天然气密闭管输交接准入认可、美国机械工程师协会的制造认可等。国外学者研究的普遍结论是内锥流量计有较强的抗流态扰动性能，前后直管段的要求也比标准节流装置低一些[2-6]。2004 年至今，天津大学先后进行了关于内锥量计流出系数、可膨胀系数、安装条件及湿气测量等方面的研究工作，取得了一些宝贵的验成果[7-9]。

　　本研究针对 100 mm 口径的内锥流量计，等效直径比分别为 0.45/0.55/0.65/0.75/0.85，开展了基线实验及闸阀影响实验，上游闸阀开度分别为 75%、50%、25%，下游闸阀开度分别为 100%、50%。并建立了一套闸阀影响的评价方法，通过对流出系数相对误差、附加不确定度等指标的分析与评价，给出了不同闸阀安装条件下的直管段要求和建议，同时与国外结论进行了比较。

　　2 实验方案

　　本研究是在天津大学流量实验室水流量标准装置上完成的，文献[7]对实验装置进行了详细的说明。

　　本研究中设计并制作了内径为 100 mm 的内锥流量计样机一套，实验锥体 5 个，前后锥角均为 45°/120°，等效直径比分别为 0.45/0.55/0.65/0.75/0.85。锥体可从测量管中方便拆卸。详见文献[7]。

　　实验类型包含基线实验、闸阀开度实验。基线实验作为参考基准，管内径 100 mm，样机上游直管段 10 m，管内流体流动为充分发展的湍流状态，研究实现了 5 个等效直径比的 5 组基线实验。闸阀开度实验分为：上游闸阀开度分别为 75%/50%/25%，下游闸阀开度分别为100%/50%，样机前直管段分别为 3D/5D，样机下游直管段均为 1D，可更换 5 个等效直径比锥体，将实验条件进行正交变换，闸阀开度实验可进行 3×2×2×1×5，共计60 组。文献[10]中规定了闸阀对孔板性能影响的实验条件，即上游闸阀全开条件下，产生 0.5%附加不确定度时，上游闸阀和孔板的间距为 6D～12D。本实验设计上游闸阀和内锥的间距为 3D、5D，下游闸阀和内锥间距为 1D，旨在研究对流场影响最为恶劣的闸阀工况条件。

　　图 1 给出了实验整体布局。定义 100 mm 为 1D。按照图中方向，流体自左向右流入，实验管段的设计,即图中的 E 段，E 段前后均加至少 5D 直管段。实验组件连接方案设计两种类型，一种是基线实验，“E=V” 更换不同等效直径比的锥体，更换锥体可实现 5 组实验，实验照片如图 2 所示，上游直管段长度 100D;另一种是闸阀开度实验，“E=Z1-X-V-Y-Z2”表示“上游闸阀+前直管段+样机+后直管段+下游闸阀, 总计 60 组实验，实验照片如图 3 所示(以上下游 5D 为例)。图 4 给出了 3 种闸阀开度照片。