新型节流装置--内锥式流量计

长期以来，节流装置（孔板、喷咀、文丘利管）因适用于多种流体（气体、液体、蒸汽），且耐高温高压，在许多行业如化工、电力、钢铁、冶金、石油天然气等，多采用它用以监测流量参数。在流量仪表市场中，数量约占60%以上的份额。对于这种量大面广的仪表，国际标准化组织“封闭管道中流体流量测量专业委员会”（ISOTC30）极为重视，制定了节流装置流量测量标准ISO5167，并根据使用中出现的问题不断进行修改、完善。我国的节流装置国家标准（GB/T2624-93）与其接轨，也等效采用ISO5167。国际标准化组织ISOTC30经两年多的讨论酝酿，重新修订了ISO5167，于2003年3月公布执行ISO5167新的标准。

ISO5167新标准修改的主要内容

· 在没有流动调整器条件下，对节流装置(孔板、文丘利管)上游所要求的直管段普遍提出了更长的要求；
· 建议在节流装置上游安装流动调整器，以适当缩短所要求的直管段长度；
· 根据大量数据回归的R/G公式取代原来的sto1z公式；
· 采用新公式来计算孔板的可膨胀系数；
· 修订了关于孔板不同轴度、不平度及上游管内壁粗糙度的限制要求。

ISO5167新标准对孔板前直管段长度的要求增大了4～17D，达到了30～70D左右。这个长度在工程实施中存在相当大的难度，甚至是不可能的，面对ISO5167新标准，我们该怎么办？

流量仪表在工程中的应用，不外乎以下几种情况 ：①贸易计量，进行物流的核算，准确度是首要的，如直管段达不到标准要求，直接影响到准确度的下降；②工艺流程的监测 ；主要了解工艺流程是否正常，可靠性是主要的；③工控系统中的检测环节，作为调节的依据，重复性是主要的。因此，在直管段达不到要求时，孔板（或节流装置）仍可工作，只是准确度下降了；用于②、③种情况还可考虑，而第①种情况则难以选用。

流动调整器

在直管段长度达不到新标准的要求时，管道中的流速分布不是充分发展紊流，流速分布不对称，有畸变还可能有漩涡、回流（图1）。ISO5167新标准建议采用流动调整器，认为选用后可改善流动情况，无需过长的直管段即可达到新标准的要求。

图1：双弯头后滑流的流速分量

但这并非万全之计，因为它在改善了流动情况的同时，也带来了以下弊病：①增加成本。制造一台流量调整器的成本不亚于一台流量计。②增加安装、维修工作量。③易于堵塞。采用流动调整器缘于在直管段达不到ISO5167新标准要求的长度，仍希望维持孔板等节流装置较高准确度的一项技术措施。可事与愿违，由于效果好的流量调整器均易于堵塞，并造成了流动的畸变，它又反过来降低了测量准确度。要彻底解决问题，只有采用新型节流装置。而目前业内比较热衷的便是采用内锥式流量计。

内锥式流量计

上世纪80年代中期，由美国MCCROMETER公司研制、推出了这种新型节流装置 — 内锥式流量计（图2），由于内锥具有整流作用，要求前、后直管段长度都很小。特别适用于ISO5167新标准公布后所面临的困境。

▲ 原理

内锥式流量计仍是一种通过节流取差压以反映流量大小的节流装置。节流件为一个悬挂在管道中央的锥形体，前锥角约30°，后锥角约150°。高压P1取自锥体前流体未扰动（即未形成节流，流体未加速）的管壁 ；低压P2取自后锥体中央，并通过内锥支承杆引至管外，其差压△P的平方根与流量成正比。计算与孔板、喷咀等类似，只需要将环形通道面积折合为孔板内孔面积。

▲ 突出的优点

● 锥体整流，缩短直管段

长期以来，人们都认为变径管（或称异径管）是破坏流场的，无论管径由小变大，或由大变小后都要求基本相同的直管段。其实，收缩管（即管道截面由大变小）将促使流体加速，其效果具有消除漩涡、促进流动层面的相互作用，在一定条件下可以在较短的长度内达到较理想的流速分布。内锥式流量计使流通截面由大变小，其效果相当于一个流动调整器，可以缩短节流装置所必需的直管段长度 ；至于是否短到厂家所说仅为0～3D，还应有待试验证实。

● 边缘耐磨，改善稳定性

几十年来，孔板曾被公认为是一种不用实标的准确流量计，常用于物流的计量核算，而它的长期稳定性是值得质疑的。根据节流装置标准的规定，孔板的节流孔边缘厚度e仅为0.005～0.02D ；光洁度应为 7以上。而在使用过程中，在锐角处流速最高，流体的冲刷也最强烈，使用不久锐边将变大，并产生毛刺不再光滑，流量系数也将随之变化。

而内锥式流量计则不然，在锥体的最大截面的边缘，由于附面层的保护（见图2）其表面流速并不高，附面层减缓了冲刷的力度，且边缘是一个钝体而不是锐角，也经得起冲刷。因此，内锥式流量计流量系数可长期稳定不变。

图2：内锥式流量计原理图

为什么孔板没有附面层保护呢？附面层厚度δ=KLReX，（其中L是特征长度，Re是雷诺数，K,X为系数）孔板的特征长度等于零，无法形成附面层保护。

● 环形通道，适用于脏污流

各工程现场中的流体都难以保证洁净，多年来，节流装置中采用最多的孔板，由于其下游会形成一个回流区，流体中的脏污物、凝析物等将滞留在这个区域，日积月累，将改变节流比β值，引起流量系数的变化，其次污物还会阻塞测压孔，使孔板难以正常工作。

而内锥式流量的节流部分的环形通道，锥体后未形成滞流区，当流体流过边缘时，因流速高，任何脏污物、凝析物，将被冲走难以滞留。因此，它适用于脏污流体，特别是气液、气固、液固二相流体。

小结

· 直管段长度 ：内锥式流量计问世已十多年，鲜为人知。近二年由于提出了ISO5167新标准，加长了孔板等节流装置所需的直管长度，使其难以使用，在不少会议、媒体上出现了一股“内锥热”，认为其所需直管段前仅为0～3D；后为0～1D，几乎可有可无。内锥的整流作用真的能神奇到这个地步？据了解不少阻力件（如双弯头）后漩涡区的消失就需3D以上。

· 流动调整器 ：在制定节流装置标准中，国际标准化组织ISOTC3O多次建议采用流动调整器，由于现场的恶劣条件，流体欠洁净，将会带来不少问题，难以达到预期效果。

· 标准化 ：孔板长期公认为是无需标定而又准确的流量计，为此制定了国际标准（ISO5167）国家标准（GB-2624），因此常用于物流计量及贸易核算中，ISO5167的新标准提出的直管段长度使孔板的应用陷入困境，不少专家建议采用内锥式流量计取代孔板，举出了不少优点，前景诱人。但由于还缺乏足够的试验数据，无论国际还是国内还未制定相应的标准。用于物流贸易核算，目前还缺乏计量法的依据。

· 需理性、勿过热 ：某一流量仪表一统天下局面短期还难以形成。