作者簡介
戈?duì)柟龋貉芯繂T級高級工程師，1939年生于江蘇常熟。1959年武漢鋼鐵學(xué)院工企電氣化專業(yè)畢業(yè)，分配至長沙有色冶金設(shè)計(jì)院，從事自控工程設(shè)計(jì)和科研開發(fā)，長期實(shí)踐儀表與工程控制系統(tǒng)開發(fā)，任自控專業(yè)組長及主任工程師職，退休后返聘至2012年。曾獲省部級科技進(jìn)步成果二等獎2次，近3年獲4項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)發(fā)明公告、12項(xiàng)實(shí)用新型專利，國際、國內(nèi)會議發(fā)表論文 10 多篇。獲國務(wù)院政府特殊津貼，1995年獲湖南省先進(jìn)工作者。
均速管流量計(jì)在工程上應(yīng)用已有多年，回想起它的開發(fā)過程，依然歷歷在目。我是1962年從電氣設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)行搞有色冶金自控工程設(shè)計(jì)的，那時有色冶金工藝還剛剛起步，儀表選型都是簡單的儀表，以仿照蘇聯(lián)設(shè)計(jì)進(jìn)行。我有幸參加了當(dāng)時的大型工程株洲冶煉廠、韶關(guān)冶煉廠工程，在參加施工、攻關(guān)、連續(xù)試車、投產(chǎn)過程中，深感自控儀表還遠(yuǎn)不適應(yīng)工藝的要求，儀表盤上總有一些儀表不能正常指示，相當(dāng)揪心，特別是一些流量儀表不盡好用。
在鉆研標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)、計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對不同介質(zhì)對象，環(huán)室孔板、法蘭孔板、雙重孔板、圓缺孔板、1/4圓噴嘴，都用了，在難以解決的低風(fēng)壓、大風(fēng)量、煤氣、有限直線段的有色冶金工藝管上，總是不好用；為此，又設(shè)計(jì)試用了雙重小喇叭管、文丘里管，運(yùn)行中又一一拆下，其上灰泥堆積，簡直無法達(dá)到流量儀表的精度。因?yàn)榱髁績x表的可靠性、穩(wěn)定性、簡易性是不容易達(dá)到的，它受到工藝變化、介質(zhì)特性、流量計(jì)設(shè)計(jì)、配套、訂貨制造、安裝及位置、使用、維護(hù)過程中各個環(huán)節(jié)的影響，其中有一個環(huán)節(jié)沒有注意，流量計(jì)就用不好。
1970年，韶關(guān)冶煉廠ISP工程開始設(shè)計(jì)，其中大管道風(fēng)量測量技術(shù)需要解決，在上海設(shè)計(jì)時，由長沙有色冶金設(shè)計(jì)院提出研制課題，一機(jī)部上海自動化儀表研究所與上海自動化儀表一廠制訂了研發(fā)雙翼均速管流量計(jì)的任務(wù)，由自儀所張寶鑫等研制，并做出樣機(jī)，進(jìn)行標(biāo)定。
1974年，在韶關(guān)冶煉廠試車投產(chǎn)時，雙翼均速管流量計(jì)裝在燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道，由我和周自平、王海黎等人用標(biāo)準(zhǔn)比托管標(biāo)定；由于有多次標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)，其現(xiàn)場帶負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)與在上海標(biāo)定結(jié)果相當(dāng)符合，且一直在燒結(jié)生產(chǎn)記錄儀中顯示流量；雖然脈動頻度高，但經(jīng)信號濾波后的顯示可用。從而上海自動化儀表研究所等研制的雙翼均速管流量計(jì)，在大管道流量測量上得到了成功應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)翼型提高了它的差壓，基本上可與當(dāng)時國產(chǎn)DDZ2型單元組合儀表差壓變送器匹配，缺點(diǎn)是在現(xiàn)場流量計(jì)系數(shù)都要標(biāo)定，如果沒有足夠經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)定人員和設(shè)備就難以準(zhǔn)確。
1971年-1972年間，在日本“計(jì)裝”雜志上，我看到了美國阿牛巴流量計(jì)的產(chǎn)品廣告，覺得這是解決低風(fēng)壓、大風(fēng)量測量的好方法。當(dāng)時長沙自控儀表遠(yuǎn)未發(fā)展，技術(shù)信息也相當(dāng)閉塞，想仿制也無阿牛巴樣機(jī)可看，只能進(jìn)行理論上的摸索，實(shí)踐上進(jìn)行多種型式設(shè)計(jì)、試驗(yàn)。
為此，首先和李源泉猜測阿牛巴流量計(jì)4個全壓孔位如何定位，我進(jìn)行了大量理論探索，自學(xué)《流體力學(xué)概論》等書籍，利用出差北京時到外文書店搜集流體力學(xué)外文書籍，到國家科技情報研究所翻閱有關(guān)資料，買了本10cm厚的外文積分公式手冊，應(yīng)用廣義積分、多重積分等進(jìn)行理論研究。我們希望在均速管上，和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置一樣在管流大的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，可以計(jì)算出流出系數(shù)來；這樣，工業(yè)應(yīng)用就很方便了。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合上我們學(xué)習(xí)并攻克了如下問題：
如何反映管道湍流流速分布，湍流流速分布模式有哪些基本類型，其適應(yīng)范圍及比較；
探索找出并推導(dǎo)了幾種定孔位的方法，并確認(rèn)等分及偶對數(shù)線法精度最高，4孔的精度已足夠，更多孔的過分近壁的孔易受壁孔抽吸及粗糙度影響；
通過各湍流流速分布模式，1975年～1976年我們推導(dǎo)了各雷諾數(shù)下的理論平均速度；
各孔差壓與集成差壓的關(guān)系，與取壓結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而找到各雷諾數(shù)下的實(shí)測平均速度；
實(shí)測平均速度的推導(dǎo)與理論平均速度的比較得到的流出系數(shù)在雷諾數(shù)2.56×104-3.07×106的大范圍內(nèi)，在推薦的孔位下，該系數(shù)絕對值在0.99xx，僅變化千分之二。這種虛擬實(shí)際的計(jì)算，揭示了均速管的流出系數(shù)可高精度的計(jì)算獲得。
對迎流的全壓孔開孔大小、對由于前直線段引起的流速分布不對稱、對管道壁不同的摩擦系數(shù)、安裝插入時的孔對位偏差，都以虛擬實(shí)際的計(jì)算，求出對流出系數(shù)的影響僅變化千分之二。其中不對稱分布特性，預(yù)示著只需很短的直管段。
1975年-1977年時，只能用手搖計(jì)算機(jī)及查對數(shù)表來理論計(jì)算，工作是繁重的。
理論研究的同時，在韶關(guān)冶煉廠現(xiàn)場團(tuán)煤鼓風(fēng)管及煤氣站污水處理管上設(shè)計(jì)、安裝了均速管裝置。從而在理論與實(shí)踐上有了基礎(chǔ)。這段時間正是文化大革命時期，而且設(shè)計(jì)院主要是搞系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的，不是搞單個儀表開發(fā)的，客觀上有些脫離本行，似乎是只專不紅。我也管不了這許多了，因?yàn)檫@完全是為國家建設(shè)工程，必須迎著重重困難而上。剛巧領(lǐng)導(dǎo)是技術(shù)創(chuàng)新型的，支持了我們。
在已有的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)上，我們開始為去標(biāo)準(zhǔn)裝置上作性能試驗(yàn)的準(zhǔn)備及安排各次試驗(yàn)：
1977年8月，聯(lián)系了南京航空學(xué)院風(fēng)洞試驗(yàn)裝置。韶關(guān)冶煉廠儀表車間按我們試驗(yàn)設(shè)計(jì)，把不同管徑的測速管加工好，該廠還派了陳白緯和我們李源泉等5人一起試驗(yàn)，南京航空學(xué)院派了汪橋森教授輔導(dǎo)。這時發(fā)現(xiàn)了我在試驗(yàn)計(jì)劃中的一個大疏忽，沒有了解到該測定處風(fēng)洞內(nèi)截面是勻速場，而我們需要的是具有速度分布的管道標(biāo)準(zhǔn)裝置上試驗(yàn)。事已如此，如何補(bǔ)救呢？迅速做一個產(chǎn)生速度分布的多層網(wǎng)狀吸入短管，使風(fēng)洞測試段內(nèi)速度分布符合管內(nèi)流速分布；為此，趕到安徽銅陵我院現(xiàn)場設(shè)計(jì)組，請施工公司做了一個，該公司還派2位師傅幫我們?nèi)ツ暇┌惭b。試驗(yàn)基本上是成功的。從不同管徑D21、D34、D42測管的背部取負(fù)壓與測管前1倍風(fēng)洞管直徑的壁上取負(fù)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比曲線可以看到：前者三管徑分別是3個不同斜率，而后者3個斜率重合成一個斜率，風(fēng)洞管徑是D750，測管徑與其比值分別為2.8%、4.5%、5.6%。為什么這樣小的比率，背部取負(fù)壓的管斜率這樣不同？這是因?yàn)槔@流渦街對背部負(fù)壓的影響，即使管徑比如此小，其斜率變化仍然較大，這在實(shí)用中是很不利的，一旦現(xiàn)場各種尺寸稍有變化，斜率就會飄移，而且隨雷諾數(shù)的變化，渦街對背部負(fù)壓的影響也會變化。雖然它的差壓比洞壁取負(fù)壓大一倍多，較易匹配變送器。但正如阿紐巴說明書指出的：從工藝管徑D200-D400范圍，流量系數(shù)從0.6-0.8的大變化。從此，我們認(rèn)識到不宜只去仿制阿牛巴，要走我國自己開發(fā)均速管的路，主要從工藝管壁取負(fù)壓，因?yàn)樵谳^大范圍內(nèi)，它的斜率是不變的，這就有可能像標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置那樣，其流量系數(shù)，可以理論計(jì)算出來，這對普及應(yīng)用是多么方便！實(shí)際上，仔細(xì)分析全壓4孔及前工藝管壁負(fù)壓取壓狀態(tài)，在測管與工藝管徑比為6%以下時，它們基本上不受測管結(jié)構(gòu)尺寸及形狀的影響。之前的理論探索也予示著這一結(jié)果。該次試驗(yàn)，還實(shí)際檢驗(yàn)了測管上全壓孔大小對測量的影響及全壓各孔對測管內(nèi)集成壓力的影響。
聯(lián)系了上海鼓風(fēng)機(jī)廠，該廠風(fēng)機(jī)標(biāo)定是在進(jìn)口管用標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)定，并有一段10多米長D800的引入直管段，作為標(biāo)定大管道測速管相當(dāng)理想。在該廠領(lǐng)導(dǎo)和顧明坤的大力支持下，韶冶又按我們設(shè)計(jì)加工了測速管，1978年1月春節(jié)前，在3000kw風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，因?yàn)楣β侍?，只能在午夜后進(jìn)行，我和李源泉、陳白緯三人興奮地投入了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)好，我們有點(diǎn)不放心，是否碰巧？但快要春節(jié)了，廠里放假，大家都回去。鼓風(fēng)機(jī)廠顧明坤說，春節(jié)后還有一臺同樣的風(fēng)機(jī)要標(biāo)定。我就和他約好，待春節(jié)后，在另一臺風(fēng)機(jī)上再試，春節(jié)過后我就一個人和鼓風(fēng)機(jī)廠的師傅一起試驗(yàn)。這兩次鼓風(fēng)機(jī)上試驗(yàn)的結(jié)果較理想，即使換了臺風(fēng)機(jī)，與作為標(biāo)準(zhǔn)的孔板測定對照，還是好結(jié)果。這樣，從實(shí)際工業(yè)管道上，也證實(shí)了管壁取負(fù)壓在風(fēng)管道上測定的正確性。
在空氣上的測速管，在水管上是否也行，需要在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置上檢驗(yàn)。我們聯(lián)系了當(dāng)時為全國流量標(biāo)定中心的開封儀表廠，按照D200、D150的水標(biāo)定裝置，加工了多支測速管及配置了四氯化碳斜管微壓計(jì)作為精確顯示儀表。1978年7月進(jìn)行了試驗(yàn)。在精心布局試驗(yàn)方法、注意事項(xiàng)的基礎(chǔ)上，D200、D150在開封標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置上，分別得到的流出系數(shù)在1.5%內(nèi)，兩管系數(shù)差僅千分之二。從而證實(shí)了均速管流量計(jì)在水、氣管道測流量是完全可行的，采用工藝管壁取負(fù)壓的流出系數(shù)穩(wěn)定，可像標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置那樣直接計(jì)算后，不需標(biāo)定就可應(yīng)用。因試驗(yàn)有時在晚上進(jìn)行，曾半夜冒雨回開封旅社，全身打濕，可心頭還是熱的。
通過上述試驗(yàn)與測定方法的理論研究，我們總結(jié)并整理了有關(guān)資料，寫出了《流量測速管技術(shù)》專集，并在我院《有色礦冶》雜志1979年第3期上刊登。在院設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。在1980年全國流量計(jì)量第一次(重慶)會議上，進(jìn)行了交流。
1982年初，天津自動化儀表十廠了解到我院這一技術(shù)，來院商定了合作開發(fā)成均速管流量計(jì)產(chǎn)品。1982年6月，我和天儀十廠王廣立、孟華在鐘罩標(biāo)定裝置上進(jìn)行了一次示范性D80空氣管上標(biāo)定試驗(yàn)，本次試驗(yàn)又一次證實(shí)笛形均速管的均壓特性，通過測管前工藝管道上沿線不同位置負(fù)壓孔所測負(fù)壓對測管差壓的影響，證實(shí)了在測管前1D處測定負(fù)壓是正確的；試驗(yàn)結(jié)果提供了正確的負(fù)壓孔結(jié)構(gòu)型式；得到了全壓測管對工藝管徑比的大致上限，以及全壓測管在流體中的壓力損失，以及壓力損失對測定差壓的百分比。通過復(fù)雜彎頭后3D和21D處同樣均速管的對比試驗(yàn)，前者僅比后者流量差1.86%。
1982年8月19日-20日，我和李源泉、天儀十廠王廣立、孟華、劉忠海、孟祥利等6人在開封D300水標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置上進(jìn)行笛形均速管產(chǎn)品鑒定前的標(biāo)定試驗(yàn)，并邀請重慶自動化所孫淮清高工到現(xiàn)場指導(dǎo)。試驗(yàn)取得了與1978年試驗(yàn)同樣好的結(jié)果，王廣立以此制作了樣品，在天津市海河自來水廠及某廠給水泵后出水管上進(jìn)行了實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)，效果較好，解決了天津市用水、配水中流量計(jì)量的大難題。1982年11月，在天津召開了DJ型笛形均速管產(chǎn)品鑒定會上獲得通過。同年12月，該項(xiàng)目獲得天津市人民政府頒發(fā)的1982年優(yōu)秀科技成果二等獎。
均速管流量計(jì)在推廣過程中，由于工藝管壁取負(fù)壓的差壓值基本上是流體動壓，而工程中工藝管流設(shè)計(jì)速度有一定范圍，在低壓空氣及煙氣流量測量中，差壓太小，當(dāng)時缺穩(wěn)定的微差壓變送器匹配，而背部取負(fù)壓的差壓大一倍多，稍好些。在工程自控設(shè)計(jì)中，要予先和工藝設(shè)計(jì)者商定測量段縮管，爭取最大流速在25m/s以上；由于改管較困難，低壓大管道氣流量測定上的推廣存在困難，自從羅斯蒙特公司電容式微差壓變送器推出后，這種情況有了改善。但是均速管的優(yōu)點(diǎn)：正確反映流速分布、能耗小、省料、大管道上安裝方便，易于維護(hù)的重要優(yōu)點(diǎn)，保持著它的生命力；而它的前直線段要求低這一重要優(yōu)點(diǎn)還遠(yuǎn)未為人們認(rèn)知，這是由它的多孔均壓機(jī)理決定的。上世紀(jì)70年代，國外多個在不對稱速度分布的管道橫截面上用比托管4點(diǎn)測定(按偶對數(shù)線分布方法)，依集成差壓，算流量的結(jié)果都是相等的；而我們在 1976年-1977年的理論推導(dǎo)，虛擬管內(nèi)不對稱分布的計(jì)算結(jié)果是相合的。而它直接機(jī)理是4孔差壓集成轉(zhuǎn)換成流量的過程，系各點(diǎn)差壓平方和開方的最小二乘法原理，而且4孔差壓呈對稱的此消彼長總流量不變的互補(bǔ)關(guān)系。結(jié)合1982年8月在天儀十廠前直線段對比試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)，笛形均速管(工藝管壁取負(fù)壓)要求的直線段遠(yuǎn)比阿牛巴流量計(jì)小得多，還可酌情加一根，交叉插入，在最大風(fēng)速25-50m/s下裝設(shè)。分析各種插入式巴類流量計(jì)，其根本的缺點(diǎn)是測管背部取負(fù)壓，它受繞測管后流體渦街幅值、頻度影響,而渦街幅值受測管形狀、測管與工藝管徑比、流體雷諾數(shù)大小影響。而笛形均速管(工藝管壁取負(fù)壓)在一定的測管與工藝管徑比下，它的全壓及負(fù)壓測孔，不受各種尺寸、形狀影響。
在這里，大慶石油化工設(shè)計(jì)院石金武有感于我國管內(nèi)湍流流體測量原理研究的薄弱，用幾年時間，寫出了《測速管力學(xué)探討》《流體計(jì)量學(xué)縱橫談》等文章，想推動國內(nèi)流量計(jì)量理論的研究。
但這樣的理論探索未發(fā)展起來。流體計(jì)量專門單位人少、無經(jīng)費(fèi)，沒法靜心研究，而我們各工程設(shè)計(jì)院的自控人員，更無時間專注于流量，還要學(xué)、用眾多的DCS用于工程。20多年來，很多缺乏正確原理的流量計(jì)充斥市場，或者片面強(qiáng)調(diào)其某一性能，蒙混用戶，再加上中間轉(zhuǎn)手加工，原始流量數(shù)據(jù)幾經(jīng)周折脫離測點(diǎn)實(shí)際，對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源管理很不利。自控儀表是工農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)條件，國家應(yīng)有專門機(jī)構(gòu)規(guī)劃、布局、管理這一問題，才有全面趕超西方強(qiáng)國的高技術(shù)基礎(chǔ)條件。
目前，火電廠、水泥廠、冶金廠、化工廠的大管道風(fēng)量測量是這些工藝節(jié)能的基礎(chǔ)參數(shù)，但很多是矩形管道，用笛形均速管測量耗能是很小的，壓損約為差壓1/10左右，必須了解矩形管道的速度分布、插入方法及不同邊長比的補(bǔ)正系數(shù)。我進(jìn)行了多年研究，不久將發(fā)表相應(yīng)論文，拋磚引玉，和大家一道，以便推進(jìn)這一測量技術(shù)。
長期現(xiàn)場實(shí)踐教育著我，要深入實(shí)際、符合實(shí)際，認(rèn)真探索并符合客觀規(guī)律，去解決建設(shè)中存在的問題，去為長期在操作崗位的工人改善操作條件和管理著想。現(xiàn)在看來，這正是知識分子在誠實(shí)、積極創(chuàng)新的勞動中，逐步樹立辯證唯物主義世界觀，為國、為民服務(wù)的正確途徑。我將不斷發(fā)揮自己的余熱。
