книги / Расходомеры и счетчики газа, узлы учета

21

Диффузор за измерительным участком выполнен существенно досрывным, с тем чтобы исключить его негативное влияние на качество потока на измерительном участке и, следовательно, на результаты измерений.

Плоские СУ и коленные повороты-расходомеры. Эти приборы рекомендованы ОАО НПО ЦКТИ им. Ползунова [51, 52] для воз­ духа и уходящих газов из котлов большой мощности.

Расход в таких расходомерах определяют по формуле

q = CEzSr^2Ap /ру

где Sr — площадь горловины; остальные величины см. в п. 1.1. Одно из таких устройств, широко применяемое в котельных

установках АО «Красный котельщик», — плоское расходомерное устройство, в котором сужение образуется только двумя противо­ положными сторонами воздуховода. Другое — поворот-расходо­ мер, в котором сужение потока образуется в одной плоскости с внутренней стороны поворота.

Плоское расходомерное устройство (рис. 1.7, а) состоит из вход­ ного патрубка длиной Iг = -Оэкв, входного конфузора длиной 12 с центральным углом срк = 90°, горловины постоянного сечения дли-

I

Рис. 1.7. Виды СУ: а — плоское; б — коленный поворот-расходомер

22

ной /3 = 0,2d и плоского диффузора длиной 14 с центральным углом (рд = 15° (длина укороченного диффузора Z4). Сужение пото­ ка в устройстве образуется в одной плоскости двумя противопо­ ложными сторонами. Для устройства с прямоугольным попереч­ ным сечением сужение выполняется по меньшей стороне.

Степень укорочения диффузора к -1 ук/ 1дУгде 1Д— длина диф­ фузора с полным раскрытием; 1ук — длина укороченного диффузо­ ра, за которым следует ступенчатое раскрытие до поперечного се­ чения воздуховода.

У поворота-расходомера угол одностороннего диффузора Z4 7,5° (рис. 1.7, б), плоский конфузор имеет угол 45°, остальные элемен­ ты, как и у плоского. Оба СУ отличаются малой потерей давления.

Давления в горловине и входном патрубке отбираются через отверстия в стенках и осредняющие камеры. Отверстия во вход­ ном патрубке располагаются на расстоянии 0,5ПЭКВ от входного конфузора. Отверстия в горловине расположены на расстоянии 10ТВ = 13 / 3 от ее начала.

1.4. НАПОРНЫЕ, В ТОМ ЧИСЛЕ ОСРЕДНЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Перепад давления в напорных устройствах зависит от динами­ ческого давления потока. К таким устройствам относятся напор­ ные трубки, усреднители и усилители (мультипликаторы) [9]. В усреднителях перепад давления зависит от расхода, а в осталь­ ных устройствах — от скорости в месте установки. В России стан­ дартизованы только Г-образные трубки Пито [10] и усреднителипреобразователи скоростного напора типа ПСНО [9] (рис. 1.8), а также фирмы Annubar — все они имеются в реестре Госстан­ дарта.

В табл. 1.9 приведены технические характеристики напорных трубок [9,16, 18] для технологического контроля.

Напорные трубки, осредняющие и мультипликаторы, целесооб­ разно применять как для диагностики фактических расходов и технологического контроля и регулирования, так и для коммерчес­ кого учета расхода энергоносителей.

Зачастую перед проектированием узла учета необходим макси­ мальный (фактический) расход теплоносителя. Для этого реко­ мендуется использовать зонды: трубку ВТИ, ЦКТИ, цилиндричес­ кий (см. табл. 1.9). Напорные трубки измеряют скорость в ло­ кальных точках, в этом случае расход (м3/с) вычисляют по фор­ муле

(1.18)

23

Рис. 1.8. Трубка ПСНО с местами расположения отборов давления:

1 — штуцер отборастатического давления; 2 — штуцер отбора полного давления; 3 — трубопровод

где D — условный диаметр трубы, м; К Т— коэффициент трубки; K v — коэффициент неравномерности распределения скорости по сечению F; Ар — разность полного и статического давлений труб­ ки, Па; р — плотность среды, кг/м3.

Наиболее простым является зонд ВТИ, дифференциальный ма­ нометр которого удобно подсоединяется к бобышкам на трубе — их затем можно использовать для установки манометра и термо­ метра.

Зонд ВТИ [16] рекомендуется для влажного пара и запыленно­ го газа, так как он меньше засоряется. В ГОСТе [10] представлен одинарный перпендикулярный зонд, который для повышения точ­ ности измерений целесообразно проградуировать по показаниям двойной трубки Прандтля—Пито, рекомендованной ИСО.

Двойные напорные трубки пригодны для измерения скорости газа в пределах 3-35 м/с и скорости воды более 2,5 м /с. Для этого

24

используют различные микроманометры и тягонапоромеры, а так­ же дифманометры «Метран-45» с пределами измерения до 100 Па.

Зонды ЦКТИ устанавливают в вертикальном сечении горизон­ тальных трубопроводов на различных расстояниях от стенки, по­ этому их коэффициенты расхода a =K TK Vбудут различными. На­ пример, для трубок при погружении их на глубинуА = 0,5П а = 0,8 при D = 71 мм и а = 0,785 при D - 94 мм, а для А = 0,33D а = = 0,835 при D - 71 мм и а = 0,8 при D - 94 мм. Эти данные

25

получены при Re > 25 000. Данные при D - 55 трубок ЦКТИ близки данным для трубок Клеве при D = 50 мм и Re = (1 + 3,5) 105 [16], а последние рекомендованы ИСО.

Коэффициент расхода цилиндрического зонда примерно в 1,5 раза больше, чем у трубки ЦКТИ. Эти трубки стандартизованы в Польше (PN-94Z-04030) [18].

Самые большие значения коэффициента расхода имеют муль­ типликаторы (усилители), например микротрубка Вентури, кото­ рая наиболее проста в изготовлении по сравнению с другими муль­ типликаторами. Градуировочные кривые этих трубок и трубки Пито даны в работе [9, 16].

В России наряду с указанными в табл. 1.9 трубками только трубки Пито рекомендованы для применения ГОСТ 8.361-79 [10], а осредняющие трубки ПСНО-1 стандартизированы в МИ 2355-95 [20], их данные приведены ниже:

Далее приведена общая высота трубки Н вместе с головкой, выступающей за пределы трубопровода, в зависимости от диаметра трубопровода D у ПСНО-1:

ПСНО-1-01 отличается от ПСНО-1 тем, что осредняющая труб­ ка ПСНО-1 помещена в отрезок трубопровода длиной 200 мм. Ниже даны значения диаметра трубопровода D и общей высоты Н у ПСНО-1-01 различных типоразмеров:

Разработан также вариант со шлюзовым устройством для вво­ да ПСНО в трубопровод.

Кроме ПСНО-1 и ПСНО-1-01, представляющих собой осредняющую трубку, в НИИтеплоприбор разработан кольцевой преобра­

26

зователь перепада давления ПСНО-2. Он представляет собой коль­ цо, на лобовой стороне которого имеется кольцевое отверстие для приема полного давления потока. Кольцо устанавливается в месте средней скорости на расстоянии 0,238D/2 от внутренней стенки трубопровода. Кольцевой преобразователь ПСНО-2 поставляется вмонтированным в отрезок трубопровода длиной L. Высота уста­ новки Н , длинаL и диаметр!) трубопровода у ПСНО-2 приведены ниже:

В НПО «ЦКТИ им. Ползунова» проводили исследования осредняющих напорных трубок с числом отверстий 5, 9 и 15 в центрах равновеликих площадей сечения трубы квадратного сечения 190 х х 190 мм (что характерно для газопроводов котлоагрегатов) [19]. Для сравнительных измерений расходов воздуха применяли стан­ дартную диафрагму при предельной погрешности измерений, не превосходящей ±1 % в диапазоне чисел Рейнольдса (1-^2) 105. Та­ кие исследования проводились как при длинной трубе (3 м после успокоителя потока), так и при короткой (участок длиной 4,3D до напорной трубки и 1,2D после нее) между двумя коленами, кото­ рые устанавливались в различных плоскостях.

Исследования выявили зависимость коэффициентов расхода трубок от числа отверстий в пределах а = (1,01-^1,02) ± 2,5 % при длинном прямом участке и (0,95-0,98) ± 3 % при прямом участке длиной 5,5D; но в последнем варианте при закруглен­ ных двух коленах вне зависимости от их плоскостей расположе­ ния коэффициент расхода был в пределах (0,995-ь1,005) ± 2 %. При отклонениях потока от оси отверстий трубки на 5° при раззенкованных отверстиях изменений в показаниях не было, а при углах скоса потока более 10° показания ощутимо уменьшались (при 15° — на 5 %).

В Польше 3. Кабзой проведены экспериментальные и теорети­ ческие исследования осредняющих цилиндрических зондов, уста­ навливаемых по диагонали канала как для одного, так и для двух, образующих осредняющий крест [34]. Пьезометрические отверстия размещены в соответствии с линейно-логарифмической моделью потока в прямоугольном канале с гидравлическим диаметром D = 300 мм и отношением боковых стен от 0,3 до 1. Числа Re от 65 000 до 420 000. Для таких данных определены диаметры от­ верстий от 0,11 до 0,28 диаметра трубки.

Установка элементов, возмущающих поток в канале, на рассто­ янии 12D от сечения измерения вызвала приращение коэффициен­

27

та расхода а в среднем на 3 % . В случае зондов с внутренним диаметром 12 мм и отверстиями диаметром 2 мм получено: а = = 0,93 для отношения сторон каналов от 0,6 до 1; а = 0,95 для отношений от 0,4 до 0,5; а = 0,97 для отношений более 0,3.

Таким образом, имеет место стабильность а от 1 до 2 % для отношений сторон от 0,4 до 1,0 и указанных чисел Re. Причиной возрастания погрешности являются деформация или загрязнение потока. Наименьшая ошибка возникала при засорении второго и пятого отверстий из шести, а увеличивался на 0,8 % . Исключение первого и шестого отверстий вызвало приращение на 3 % , а тре­ тьего и четвертого — на 4 % . При засорении центральных отвер­ стий (второго—пятого) ошибка составляла 12 % [34].

Мультипликаторы рекомендуется применять для целей автома­ тического регулирования, когда не так важно абсолютное значение расхода, а важно изменение этой величины по отношению к другой заданной величине. Мультипликаторы необходимы при измерении малых скоростей потока, когда перепад давлений на трубке очень мал [9].

Потери давления на всех типах трубок незначительны.

Для ориентировочной оценки значений расхода с помощью на­ порных трубок можно использовать приведенные выше данные коэффициентов расхода и данные графиков.

В заключение следует отметить, что применение напорных тру­ бок потребует меньших затрат, чем СУ.

Трубки полного напора Пито и дифференциальные напорные трубки показаны в приложении ГОСТ 8.361-79, расчет погрешно­ сти измерения — ГОСТ 8.439-81. Подобные описания есть и в книге [9].

Особый интерес представляют собой осредняющие напорные труб­ ки, которые устанавливают либо поперек всего канала с измеряе­ мой средой, либо от края до центра, что удобно для каналов боль­ шого сечения с неизвестной эпюрой распределения скоростей пото­ ка, так как в сечении канала можно установить две и более труб­ ки. Ряд таких трубок разработан в Одесском политехническом институте [14]. Они могут применяться для воды и газов, в том числе запыленных сред; некоторые из них описаны в работе [9]. Диаметр напорной трубки выбирают в зависимости от диаметра трубопровода в соотношении не более 0,06. Кроме напорных тру­ бок приеняют напорные усилители, например трубку с коэффици­ ентом усиления 5-9 (см. табл. 1.9).

Измерение расхода в трубопроводе по ГОСТ 8.361-79 может производиться с помощью одной напорной трубки, если предвари­ тельно определены соотношение средней скорости потока в дан­ ном сечении к скорости потока v в точке измерения K v и площадь сечения F:

Q = K vvF.

28

При турбулентном потоке с осесимметричной эпюрой скоростей средняя скорость потока будет на расстоянии 0,242 радиуса трубы от стенки ее. С уменьшением числа Re средняя скорость будет приближаться к центру трубы.

Такой способ измерения применяют при диаметрах более 300 мм, а длина прямолинейного участка должна быть не менее 30-551).

Если коэффициент гидравлического трения равен 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06, тогда отношение средней скорости к изме­ ренной скорости в центре трубы v0 будет соответственно 0,875; 0,84; 0,8; 0,77; 0,74 и 0,713.

При указанном способе измерений при D > 300 мм прямой участок трубы может быть 10-251).

Однако, если в трубе установлены конфузор или сопло, эпюра скоростей будет прямой и упомянутое выше соотношение скорос­ тей будет 0,995 в любой точке установки трубки.

Для трубки по ГОСТ коэффициент Кт= 1±0,0025. Перепад давлений мал при небольших скоростях, например: для газа при нормальных условиях и при скорости 5 м/с динамическое давле­ ние равно 17 Па. Поэтому для расширения диапазона измерения применяют две цилиндрические трубки, отверстия которых направ­ лены в разные стороны.

Упомянутые выше осредняющие напорные трубки имеют коэф­ фициент, равный 1, с погрешностью, не превышающей 1 % при числах Re> 2 •105. При сильно деформированных полях скоростей (за коленами, например, на расстоянии до 4D) коэффициент кресто­ образных трубок равен 0,97-0,98 [9] для вычислений по формуле (1.18).

1.5. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Центробежный расходомер (рис. 1.9) представляет собой 360градусное колено (т. е. полную окружность) трубопровода, в верх­ ней части которого на внешней и внутренней (по радиусу кривиз­ ны) стенках отбирают давления р2 и соответственно. Применя­ ют и 90-градусные колена, но они не обеспечивают достаточной точности измерений (на рис. 1.9 см. штриховое изображение).

В центробежных расходомерах при движении среды по криво­ линейному участку трубопровода появляются центробежные силы, создающие перепад давления между точками с разными радиусами кривизны (где кривизна больше, так и центробежная сила больше и больше давление на стенку).

Полученные из условия равенства гидростатической и центро­ бежной сил, действующих на элемент объема среды, текущей по криволинейному участку трубопровода (с радиусом кривизны его геометрической оси J?0), рабочие уравнения измерений центробеж­ ных расходомеров имеют вид:

29

Рис. 1.9. Центробежный расходомер с круговым коленом

71

где г — внутренний радиус трубопровода; р0 = 1/2 (рх + Р2 У’ V — корректировочный коэффициент, зависящий от вязкости измеряе­ мой среды и шероховатости трубопровода; £ — коэффициент, ха­ рактеризующий степень неизотермичности процесса сжатия газа в цилиндрическом колене.

При р2 / Pi < 2 как для жидкостей, так и для газов с достаточ­ ной для практики точностью можно использовать формулу, ука­ занную выше.

Как показали широкие экспериментальные исследования аме­ риканских специалистов В. Лансфорда, Д. Картеля и др., коэффи­ циенты \у, £ при прямолинейном участке трубопровода перед 360градусным коленом расходомера, большем 2Е0, стабильны и мало (на 1,0-1,5 % ) отличаются от единицы в весьма широком диапа­ зоне изменения вязкости измеряемой среды и ее расхода, что мо­ жет быть объяснено малостью сил трения по сравнению с центро­ бежными силами.

Отмеченное обстоятельство позволяет сделать вывод о возмож­ ности расчетной градуировки центробежных расходомеров с круго­ вым коленом по результатам измерений технологически каче­ ственно выдержанных геометрических параметров i?0 и г. При этом их основная погрешность может быть ±2,0 -2,5 % верхнего преде­ ла измерений.

Достоинством центробежных расходомеров является и малая степень влияния пульсационных характеристик потока на их по­ казания, так как давления р1 и р2 отбираются в одном сечении. Появились и другие виды расходомеров типа колена [51].

30