作者簡介
戈爾谷：研究員級高級工程師，1939年生于江蘇常熟。1959年武漢鋼鐵學院工企電氣化專業(yè)畢業(yè)，分配至長沙有色冶金設計院，從事自控工程設計和科研開發(fā)，長期實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。曾獲省部級科技進步成果二等獎2次，近3年獲4項發(fā)明專利、2項發(fā)明公告、12項實用新型專利，國際、國內(nèi)會議發(fā)表論文 10 多篇。獲國務院政府特殊津貼，1995年獲湖南省先進工作者。
均速管流量計在工程上應用已有多年，回想起它的開發(fā)過程，依然歷歷在目。我是1962年從電氣設計轉(zhuǎn)行搞有色冶金自控工程設計的，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)設計進行。我有幸參加了當時的大型工程株洲冶煉廠、韶關冶煉廠工程，在參加施工、攻關、連續(xù)試車、投產(chǎn)過程中，深感自控儀表還遠不適應工藝的要求，儀表盤上總有一些儀表不能正常指示，相當揪心，特別是一些流量儀表不盡好用。
在鉆研標準節(jié)流裝置設計、計算的基礎上，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，在難以解決的低風壓、大風量、煤氣、有限直線段的有色冶金工藝管上，總是不好用；為此，又設計試用了雙重小喇叭管、文丘里管，運行中又一一拆下，其上灰泥堆積，簡直無法達到流量儀表的精度。因為流量儀表的可靠性、穩(wěn)定性、簡易性是不容易達到的，它受到工藝變化、介質(zhì)特性、流量計設計、配套、訂貨制造、安裝及位置、使用、維護過程中各個環(huán)節(jié)的影響，其中有一個環(huán)節(jié)沒有注意，流量計就用不好。
1970年，韶關冶煉廠ISP工程開始設計，其中大管道風量測量技術需要解決，在上海設計時，由長沙有色冶金設計院提出研制課題，一機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)雙翼均速管流量計的任務，由自儀所張寶鑫等研制，并做出樣機，進行標定。
1974年，在韶關冶煉廠試車投產(chǎn)時，雙翼均速管流量計裝在燒結(jié)鼓風機進口管道，由我和周自平、王海黎等人用標準比托管標定；由于有多次標定經(jīng)驗，其現(xiàn)場帶負荷試驗數(shù)據(jù)與在上海標定結(jié)果相當符合，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，在大管道流量測量上得到了成功應用。它的優(yōu)點是機翼型提高了它的差壓，基本上可與當時國產(chǎn)DDZ2型單元組合儀表差壓變送器匹配，缺點是在現(xiàn)場流量計系數(shù)都要標定，如果沒有足夠經(jīng)驗的標定人員和設備就難以準確。
1971年-1972年間，在日本“計裝”雜志上，我看到了美國阿牛巴流量計的產(chǎn)品廣告，覺得這是解決低風壓、大風量測量的好方法。當時長沙自控儀表遠未發(fā)展，技術信息也相當閉塞，想仿制也無阿牛巴樣機可看，只能進行理論上的摸索，實踐上進行多種型式設計、試驗。
為此，首先和李源泉猜測阿牛巴流量計4個全壓孔位如何定位，我進行了大量理論探索，自學《流體力學概論》等書籍，利用出差北京時到外文書店搜集流體力學外文書籍，到國家科技情報研究所翻閱有關資料，買了本10cm厚的外文積分公式手冊，應用廣義積分、多重積分等進行理論研究。我們希望在均速管上，和標準節(jié)流裝置一樣在管流大的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，可以計算出流出系數(shù)來；這樣，工業(yè)應用就很方便了。理論和實驗結(jié)合上我們學習并攻克了如下問題：
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，其適應范圍及比較；
探索找出并推導了幾種定孔位的方法，并確認等分及偶對數(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系，與取壓結(jié)構(gòu)的關系，從而找到各雷諾數(shù)下的實測平均速度；
實測平均速度的推導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。這種虛擬實際的計算，揭示了均速管的流出系數(shù)可高精度的計算獲得。
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，都以虛擬實際的計算，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，預示著只需很短的直管段。
1975年-1977年時，只能用手搖計算機及查對數(shù)表來理論計算，工作是繁重的。
理論研究的同時，在韶關冶煉廠現(xiàn)場團煤鼓風管及煤氣站污水處理管上設計、安裝了均速管裝置。從而在理論與實踐上有了基礎。這段時間正是文化大革命時期，而且設計院主要是搞系統(tǒng)工程設計的，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，因為這完全是為國家建設工程，必須迎著重重困難而上。剛巧領導是技術創(chuàng)新型的，支持了我們。
在已有的理論與實踐基礎上，我們開始為去標準裝置上作性能試驗的準備及安排各次試驗：
1977年8月，聯(lián)系了南京航空學院風洞試驗裝置。韶關冶煉廠儀表車間按我們試驗設計，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，南京航空學院派了汪橋森教授輔導。這時發(fā)現(xiàn)了我在試驗計劃中的一個大疏忽，沒有了解到該測定處風洞內(nèi)截面是勻速場，而我們需要的是具有速度分布的管道標準裝置上試驗。事已如此，如何補救呢？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)場設計組，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。試驗基本上是成功的。從不同管徑D21、D34、D42測管的背部取負壓與測管前1倍風洞管直徑的壁上取負壓試驗數(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，背部取負壓的管斜率這樣不同？這是因為繞流渦街對背部負壓的影響，即使管徑比如此小，其斜率變化仍然較大，這在實用中是很不利的，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，渦街對背部負壓的影響也會變化。雖然它的差壓比洞壁取負壓大一倍多，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壓，因為在較大范圍內(nèi)，它的斜率是不變的，這就有可能像標準節(jié)流裝置那樣，其流量系數(shù)，可以理論計算出來，這對普及應用是多么方便！實際上，仔細分析全壓4孔及前工藝管壁負壓取壓狀態(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，還實際檢驗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)系了上海鼓風機廠，該廠風機標定是在進口管用標準孔板標定，并有一段10多米長D800的引入直管段，作為標定大管道測速管相當理想。在該廠領導和顧明坤的大力支持下，韶冶又按我們設計加工了測速管，1978年1月春節(jié)前，在3000kw風機上進行了試驗，因為功率太大，只能在午夜后進行，我和李源泉、陳白緯三人興奮地投入了試驗，試驗結(jié)果相當好，我們有點不放心，是否碰巧？但快要春節(jié)了，廠里放假，大家都回去。鼓風機廠顧明坤說，春節(jié)后還有一臺同樣的風機要標定。我就和他約好，待春節(jié)后，在另一臺風機上再試，春節(jié)過后我就一個人和鼓風機廠的師傅一起試驗。這兩次鼓風機上試驗的結(jié)果較理想，即使換了臺風機，與作為標準的孔板測定對照，還是好結(jié)果。這樣，從實際工業(yè)管道上，也證實了管壁取負壓在風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，需要在標準標定裝置上檢驗。我們聯(lián)系了當時為全國流量標定中心的開封儀表廠，按照D200、D150的水標定裝置，加工了多支測速管及配置了四氯化碳斜管微壓計作為精確顯示儀表。1978年7月進行了試驗。在精心布局試驗方法、注意事項的基礎上，D200、D150在開封標準標定裝置上，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。從而證實了均速管流量計在水、氣管道測流量是完全可行的，采用工藝管壁取負壓的流出系數(shù)穩(wěn)定，可像標準節(jié)流裝置那樣直接計算后，不需標定就可應用。因試驗有時在晚上進行，曾半夜冒雨回開封旅社，全身打濕，可心頭還是熱的。
通過上述試驗與測定方法的理論研究，我們總結(jié)并整理了有關資料，寫出了《流量測速管技術》專集，并在我院《有色礦冶》雜志1979年第3期上刊登。在院設計的工程設計中推廣應用。在1980年全國流量計量第一次(重慶)會議上，進行了交流。
1982年初，天津自動化儀表十廠了解到我院這一技術，來院商定了合作開發(fā)成均速管流量計產(chǎn)品。1982年6月，我和天儀十廠王廣立、孟華在鐘罩標定裝置上進行了一次示范性D80空氣管上標定試驗，本次試驗又一次證實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壓孔所測負壓對測管差壓的影響，證實了在測管前1D處測定負壓是正確的；試驗結(jié)果提供了正確的負壓孔結(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。通過復雜彎頭后3D和21D處同樣均速管的對比試驗，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水標準標定裝置上進行笛形均速管產(chǎn)品鑒定前的標定試驗，并邀請重慶自動化所孫淮清高工到現(xiàn)場指導。試驗取得了與1978年試驗同樣好的結(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行了實地運行試驗，效果較好，解決了天津市用水、配水中流量計量的大難題。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。
均速管流量計在推廣過程中，由于工藝管壁取負壓的差壓值基本上是流體動壓，而工程中工藝管流設計速度有一定范圍，在低壓空氣及煙氣流量測量中，差壓太小，當時缺穩(wěn)定的微差壓變送器匹配，而背部取負壓的差壓大一倍多，稍好些。在工程自控設計中，要予先和工藝設計者商定測量段縮管，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：正確反映流速分布、能耗小、省料、大管道上安裝方便，易于維護的重要優(yōu)點，保持著它的生命力；而它的前直線段要求低這一重要優(yōu)點還遠未為人們認知，這是由它的多孔均壓機理決定的。上世紀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，虛擬管內(nèi)不對稱分布的計算結(jié)果是相合的。而它直接機理是4孔差壓集成轉(zhuǎn)換成流量的過程，系各點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關系。結(jié)合1982年8月在天儀十廠前直線段對比試驗的結(jié)果證實，笛形均速管(工藝管壁取負壓)要求的直線段遠比阿牛巴流量計小得多，還可酌情加一根，交叉插入，在最大風速25-50m/s下裝設。分析各種插入式巴類流量計，其根本的缺點是測管背部取負壓，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(工藝管壁取負壓)在一定的測管與工藝管徑比下，它的全壓及負壓測孔，不受各種尺寸、形狀影響。
在這里，大慶石油化工設計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《測速管力學探討》《流體計量學縱橫談》等文章，想推動國內(nèi)流量計量理論的研究。
但這樣的理論探索未發(fā)展起來。流體計量專門單位人少、無經(jīng)費，沒法靜心研究，而我們各工程設計院的自控人員，更無時間專注于流量，還要學、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充斥市場，或者片面強調(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)周折脫離測點實際，對國家經(jīng)濟發(fā)展，能源管理很不利。自控儀表是工農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎條件，國家應有專門機構(gòu)規(guī)劃、布局、管理這一問題，才有全面趕超西方強國的高技術基礎條件。
目前，火電廠、水泥廠、冶金廠、化工廠的大管道風量測量是這些工藝節(jié)能的基礎參數(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正系數(shù)。我進行了多年研究，不久將發(fā)表相應論文，拋磚引玉，和大家一道，以便推進這一測量技術。
長期現(xiàn)場實踐教育著我，要深入實際、符合實際，認真探索并符合客觀規(guī)律，去解決建設中存在的問題，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、積極創(chuàng)新的勞動中，逐步樹立辯證唯物主義世界觀，為國、為民服務的正確途徑。我將不斷發(fā)揮自己的余熱。
