多孔孔板流出系數和壓力損失的影響因素

于洪仕 張 濤 葛利俊

(1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072；2.遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105； 3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司承德石油機械有限公司，河北 承德 067000)

多孔孔板流出系數和壓力損失的影響因素

于洪仕1,2張 濤1葛利俊3

(1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072；2.遼寧工程技術大學電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105； 3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司承德石油機械有限公司，河北 承德 067000)

對管徑100mm、節流比β=0.67的不同結構的多孔孔板實驗樣機在標準水裝置上進行了實驗，結果表明：節流孔分布形式、倒角和厚度對多孔孔板的計量性能均有影響，但影響程度不同，倒角對流出系數和永久壓力損失的影響最強，厚度對多孔孔板的流量下限影響最強。

多孔孔板 流出系數 壓力損失 量程范圍

標準孔板由于其結構簡單、牢固、標準化、科研數據充分及無需標定等優點而廣泛應用于石油、天然氣及化工等領域[1～3]。但隨著新型流量儀表的迅速發展，孔板式流量計測量準確度不高、量程范圍窄及安裝條件苛刻等缺點影響了它的發展[4]。為了克服這些缺點，發揮固有優勢，科研人員對此進行了大量的研究。Reader-Harris M J等收集了美國與歐洲的實驗數據并建立新的數據庫[5，6]，在此基礎上擬合出被國際接受的標準孔板流出系數公式，避免了各國由于使用不同的流出系數計算公式而出現的貿易偏差，并且利用CFD技術對標準孔板流出系數受臟污影響進行分析，為孔板在工作過程中的故障診斷提供依據。這些研究工作對標準孔板的應用與發展起到了很大的作用，但是沒有根本解決壓損大、量程比小的缺點。2006年，多孔孔板流量計在美國獲得專利和商業許可證。相對于標準孔板流量計，多孔孔板流量計具有一定的優越性。在國內，多孔孔板流量計應用廣泛，但技術核心研究較少。多孔孔板流量計是在一個圓盤上分布多個節流孔，節流孔的分布方式、結構及孔板厚度等沒有統一的標準。計量精度和壓力損失是評價孔板流量計性能的重要指標，筆者以管徑100mm為例，設計了節流比相同、結構不同的多孔孔板實驗樣機，對節流孔的分布方式、倒角和厚度對多孔孔板的流出系數、量程范圍和壓力損失的影響規律進行實驗研究。

筆者結合圓形管道內充分發展的湍流速度剖面，以結構如圖1所示的多孔孔板為研究對象進行實驗。

圖1 多孔孔板的結構

多孔孔板流量計的工作原理同樣基于能量守恒定律和質量守恒定律。不可壓縮流體的體積流量計算公式為：

(1)

式中C——流出系數，無量綱，該參數從實驗中獲得；

ds——節流孔等效直徑；

D——孔板直徑，mm；

Δp——壓差，Pa；

qv——體積流量，m3/s；

β——節流比；

ρ——流體密度，kg/m3。

2 評價指標和影響因素

2.1評價指標

流出系數線性度δl和永久壓力損失Δω是評價節流式流量計計量性能的重要指標，表達式分別為：

(2)

Δω=Δp″-Δp′

(3)

流量下限是決定量程范圍的關鍵因素，筆者取δl≤0.5%的線性區內的最小流量點為流量下限。

2.2影響因素

多孔孔板的厚度t、節流孔型式和節流孔分布疏密度s是影響計量性能的主要因素。本文中，節流孔型式主要分為孔口有倒角和無倒角兩種。本節將重點介紹節流孔分布的疏密度。

多孔孔板的節流孔分布具有分散性和多樣性的特點，節流孔之間和節流孔與管壁之間存在一定的間距，介質經過多孔孔板后將產生與間距成一定比例的旋渦區[7～9]，從而影響計量性能。由于節流孔之間和節流孔與管壁之間的間距變化較大，難以逐個描述，因此提出疏密度這一概念，用來表征節流孔的分布方式。假設一塊多孔孔板的節流孔由中心節流孔與N層孔組成，每層孔的個數為ni，第i層相鄰節流孔邊緣之間的的最小距離為li；當j=0和j=N時，kj,j+1分別表示中心孔邊緣與第一層孔邊緣之間的最小距離和第N層孔邊緣與管道內壁之間的最小距離；當j為其他值時，kj,j+1表示第j層孔與第j+1層孔邊緣之間的最小距離。疏密度s的表達式為：

(4)

3 實驗方案

實驗研究是在天津大學流量實驗室水流量裝置上完成的，實驗流程如圖2所示。整個實驗采用水塔穩壓，流量穩定性為0.1%，流量范圍為0.005～800.000m3/h，稱重法的不確定度為0.05%，標準表法的不確定度為0.15%[10]。筆者采用稱重法對實驗樣機進行實驗。圖3為測量永久壓力損失的實驗布局，流體從左側流入，樣機上游直管段長度為100D。多孔孔板流量計采用法蘭取壓，通過差壓變送器1測得壓差Δp。差壓變送器2測得多孔孔板流量計產生的壓損Δp″，上游取壓孔距離孔板上游壁面1D，下游取壓口距離孔板下游壁面6D。所有樣機均在4×104～5×105的雷諾數范圍內進行實驗。為了研究疏密度、厚度和節流孔型式對多孔孔板流量計計量性能的影響，筆者設計了口徑為100mm的實驗樣機一套，實驗多孔孔板17個，等效直徑比均為0.67。

圖2 實驗裝置

圖3 實驗布局

4 實驗結果與分析

4.1實驗結果

筆者以樣機A、B、C、AC、BC、CC和BC(t*)來研究疏密度s、倒角和厚度t對多孔孔板計量性能的影響。A、B、C為節流孔無倒角、厚度t=8mm的多孔孔板，如圖4所示；AC、BC、CC是A、B、C的節流孔上下游端面帶45°×1mm倒角的多孔孔板；樣機BC(t*)是以BC的節流孔型式和布局方式為基準，厚度t取值為t*的多孔孔板，t*的取值分別為5、6、7、8、9、10、11、12mm。表1、2為各樣機在標準水裝置上的實驗結果，表中帶括號的實驗結果與括號中的樣機相對應。Rdown為流量下限，Rdown=Re/105，r為各樣機的永久壓力損失與同β值的標準孔板的比值，表達式為：

(5)

其中，ΔωM、ΔωS分別為多孔孔板和標準孔板的永久壓力損失。

圖4 實驗樣機

樣機CRdownr/%δl/%A(AC)0．645(0．885)1．1(1．0)81．3(53．2)0．5B(BC)0．678(0．915)74．5(43．2)C(CC)0．780(0．946)68．1(38．9)

表2 不同厚度樣機的實驗結果

4.2各因素對計量性能的影響規律

疏密度對計量性能的影響。平均流出系數C隨著疏密度s的減小而增大；流量下限Rdown幾乎不隨著疏密度s的變化而改變；永久壓力損失Δω隨著疏密度s的減小而降低。

倒角對計量性能的影響。相對于孔口無倒角的多孔孔板，孔口倒角對多孔孔板的計量性能影響為：流出系數增大，流量下限Rdown降低，永久壓力損失Δω減小。

厚度對計量性能的影響。平均流出系數C隨著厚度t的增加而增大；流量下限Rdown隨厚度t的增加而升高，并且在厚度t≤10mm時，Rdown升高速度緩慢，在厚度t>10mm時，Rdown升高速度加快；永久壓力損失Δω隨厚度t的增加而增大。

從上述分析結果可以看出，疏密度s、倒角和厚度t對多孔孔板的流出系數C、流量下限和永久壓力損失均有影響，但影響程度是不同的。筆者以樣機BC(5)、B、BC(8)、BC(12)、CC為例分析各因素對流出系數C、流量下限和永久壓力損失的影響程度。從表1、2的實驗結果可以看出，倒角對流出系數和永久壓力損失的影響程度最大，厚度對多孔孔板的量程下限影響程度最大。

5 結束語

筆者以管徑100mm、節流比β=0.67的多孔孔板為研究對象，通過大量實驗得出了孔板的厚度、疏密度和節流孔的倒角對多孔孔板流量計流出系數、流量下限和永久壓力損失的影響規律，對多孔孔板流量計的性能優化具有指導意義。

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InfluencingFactorsforDischargeCoefficientandPressureLossofMulti-holeOrificePlate

YU Hong-shi1,2, ZHANG Tao1,GE Li-jun3

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.SchoolofElectronicandInformationEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Huludao125105,China;3.CNPCBohaiEquipmentChengdePetroleumMachineryCo.,Ltd.,Chengde067000,China)

The prototypes with 100mm pipe diameter，throttling ratio ofβequal to 0.67 and different structures were tested on a standard water device to show that the throttling holes’ distribution and the chamfering and the thickness can influence the measurement performance of this multi-hole orifice respectively although their influence degrees differ, of which, the chamfering influences the numerical magnitude of discharge coefficients and the permanent pressure loss most, and the thickness affects the measurement range greatly.

multi-hole orifice plate, discharge coefficient, pressure loss, measuring range

TH814

A

1000-3932(2016)01-0020-04

2014-04-17(修改稿)