論擴(kuò)大節(jié)流裝置流量測(cè)量范圍的簡(jiǎn)單方法

1、擴(kuò)大節(jié)流裝置流量測(cè)量范圍的簡(jiǎn)單方法摘 要 簡(jiǎn)述了節(jié)流式流量測(cè)量的基本原理，分析了影響質(zhì)量流量范圍度的主要因素。認(rèn)為擴(kuò)大節(jié)流 裝置流量測(cè)量范圍最簡(jiǎn)單而有效的方法是改變差壓變送器的量程，一般可使節(jié)流裝置的范圍 度由35：1擴(kuò)大到925：1。 關(guān)鍵詞 節(jié)流裝置；流量；測(cè)量范圍1 引言    以孔板和噴嘴為節(jié)流件的流量測(cè)量裝置是目前工業(yè)生產(chǎn)及貿(mào)易結(jié)算中應(yīng)用最廣泛的流量測(cè)量 裝置 之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、耐高壓高溫、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在目前的蒸汽計(jì)量中 占有相當(dāng)大的比例，其不足之處是流量測(cè)量范圍小，最大流量與最小流量之比(即范圍度)為 35:1。而在實(shí)際應(yīng)用中，某些熱

2、用戶的熱負(fù)荷受季節(jié)及生產(chǎn)狀況的影響，其范圍度往往會(huì) 遠(yuǎn)大于35：1，最有普遍性的是冬季流量大、夏季流量小。按冬季大流量設(shè)計(jì)的節(jié)流裝置 在夏季流量小時(shí)，幾乎計(jì)量不出。若選用渦街式流量測(cè)量裝置，雖其測(cè)量范圍度可達(dá)10：1 以上，但其傳感器的穩(wěn)定性和可靠性較差，故障率較高，尤其是在溫度大于200以上時(shí)。 目前對(duì)于這種高溫蒸汽的計(jì)量，普遍采用的辦法有二種：一是按冬、夏季用汽量設(shè)計(jì)一套具 有二塊節(jié)流件的節(jié)流裝置，冬季用大流量節(jié)流件、夏季用小流量節(jié)流件；二是并列安裝一大 一小兩套節(jié)流裝置。前者必須停汽更換節(jié)流件，繁瑣而且需要停汽，影響用戶生產(chǎn) ；后者多一條管道、閥門(mén)和一套節(jié)流裝置及二次儀表，不但成本較高，

3、而且多次倒換閥門(mén)操 作后易產(chǎn)生閥門(mén)內(nèi)漏而使計(jì)量失準(zhǔn)。用簡(jiǎn)單而有效的辦法擴(kuò)大節(jié)流裝置的測(cè)量范圍具有重要 意義。本文將依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T262493用孔板、噴嘴和文丘里管測(cè)量充滿圓管的流體流 量對(duì)擴(kuò)大節(jié)流裝置的測(cè)量范圍的方法問(wèn)題加以探討。2 流量測(cè)量的基本原理    充滿管道的流體在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，流束將在節(jié)流處收縮，使流速增加，靜壓力降 低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓力差(或稱差壓)。流體的流速越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的 差 壓也越大。根據(jù)該差壓的實(shí)測(cè)值及流體的壓力、溫度實(shí)測(cè)值的測(cè)量，可以確定其質(zhì)量流量。    按GB/T262

4、493之規(guī)定，質(zhì)量流量與差壓的關(guān)系由下式確定：        qm=C/(1-4)0.5/4d2(2P)0.5       =(/4)·d2(2P)0.5    (1)式中，qm為質(zhì)量流量；為節(jié)流件內(nèi)徑與管道內(nèi)徑之比；C為流出系數(shù)；=C/(1-4)0.5為流量系數(shù)；為節(jié)流件上游流體的可膨脹性系數(shù) ；d為工作狀態(tài)下節(jié)流件的內(nèi)徑；P為節(jié)流件上、下游之靜壓差；為節(jié)流件上游流體的密 度。由孔板構(gòu)成的節(jié)流裝置的流出系數(shù)C由Stolz方程

5、給出。當(dāng)采用角接取壓時(shí)：C=0.5959+0.03122.1-0.18408+0.00292.5(106/R eD)0.75   (2)式中，ReD為管道雷諾數(shù)，ReD=4qm/D；為流體動(dòng)力 粘度；D為管道內(nèi)徑。當(dāng)介質(zhì)為可壓縮流體時(shí)，計(jì)算可膨脹性系數(shù)的公式為：=1-(0.41+0.354)P/KP     (3)式中，K為流體的等熵指數(shù)；P為節(jié)流件上游的絕對(duì)靜壓。d=d20(1+d(t-20)D=D20(1+D(t-20)式中，d20、D20分別為20時(shí)的節(jié)流件和管道內(nèi)徑；d、D分別為節(jié)流 件和管道的線脹系數(shù)。質(zhì)量流量的不確定度的計(jì)

6、算公式為：qm/qm=(C/C)2+(/ )2+(24/(1-4)·D/D)2+(2/1-4·d/d)2+(1/2· /)2+(1/2·P/P)2 )1/2 (4)由此可見(jiàn)，在一定的溫度、壓力范圍內(nèi)，其C(或者)、D、 的變化幅度較小，對(duì)qm的量程范圍影響也較小，只有P的變化范圍最大。不考慮其它因 素影響時(shí)qm(P)0.5，即P(qm)2。當(dāng)qm變化3至5倍時(shí)，P變化9到25 倍。3 影響流量測(cè)量范圍的因素分析    我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，準(zhǔn)確度為a量程為b的差壓儀表，在全程范圍內(nèi)每一測(cè)點(diǎn)的最大誤差為 ±ab/100，

7、它等于標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍，即標(biāo)準(zhǔn)偏差P=±ab/300,置信概率為95%的差壓不確 定度為：P=2P=±ab/150測(cè)量1/n倍上限流量時(shí)的差壓為b/n2，此時(shí)差壓測(cè)量的百分率不確定度為：P/P=±an2/150=±an2/1.5 (%)僅差壓測(cè)量的不確定度引起流量測(cè)量的百分率不確定度(概率95%)為：(qm/qm)P=1/2(P/P)=±an2/3 (%)不同a值、n值時(shí)差壓的不確定度對(duì)流量不確定度(概率95%)的影響如表1所示。表1 差壓不確定度引起的流量測(cè)量不確定度a/n1234561.00.331.333.005.338.3312.00.5

8、0.170.671.502.674.176.000.250.080.330.751.332.083.000.200.070.270.601.071.672.40根據(jù)我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蒸汽貿(mào)易結(jié)算用流量測(cè)量裝置的系統(tǒng)測(cè)量不確定度為±2.5%。由表 1可見(jiàn)，在置信概率95%、僅考慮差壓測(cè)量的不確定度的情況下，節(jié)流裝置測(cè)量質(zhì)量流量的范 圍度分別可達(dá)3：1(0.5級(jí)差變)、5：1(0.25級(jí)差變)和6：1(0.2級(jí)差變)。在對(duì)大量不同參數(shù)的孔板的驗(yàn)算實(shí)踐證明，除差壓測(cè)量不確定度外，式(4)中其余5項(xiàng)的平方 和不大于1。而一般補(bǔ)償式流量二次儀表的精度為0.5級(jí)，故考慮所有因素時(shí)流量測(cè)量的百分

9、率不確定度為：qm/qm=(1+0.52+(1/2·P/P)2)1/2=(1.25+(1/2·P/P)2)1/2 (5)不同a值、n值時(shí)質(zhì)量流量測(cè)量的不確定度(概率95%)如表2所示。表2 考慮所有因素流量測(cè)量的百分率不確定度(%)a/n 1 2 3 4 5 6 1.0 1.17 1.74 3.20 5.45 8.41 12.1 0.5 1.13 1.30 1.87 2.89 4.31 6.10 0.25 1.12 1.17 1.35 1.74 2.36 3.20 0.20 1.12 1.15 1.27 1.55 2.01 2.65     由

10、表2可見(jiàn)，在置信概率95%測(cè)量的情況下，用一臺(tái)差壓測(cè)量?jī)x表的節(jié)流裝置質(zhì)量 流量的范圍度不應(yīng)大于3：1(0.5級(jí)差變)或5：1(0.2和0.25級(jí)差變)。4 擴(kuò)大節(jié)流裝置流量測(cè)量范圍的方法    節(jié)流式流量測(cè)量裝置范圍度小的根本原因是當(dāng)質(zhì)量流量降到一定值時(shí)，差壓測(cè)量 的不確定度以平方倍急劇增大。當(dāng)質(zhì)量流量降到某一定值時(shí)比如最大流量的1/X(X的最大值 應(yīng)根據(jù)差壓測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度而選取35)，如果我們重新調(diào)整差壓變送器的量程(或換一臺(tái) 差壓變送器)，使差壓測(cè)量的上限值大約降到原來(lái)的1/X2，此時(shí)差壓測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差 P=±ab/(300X2)。測(cè)量1/n倍原上

11、限流量時(shí)，差壓測(cè)量的不確定度引起流量測(cè)量的 百 分率不確定度為(概率95%)：(qm/qm)P=±an2/(3X2) (%)在置信概率95%的情況下，取a=0.5、X=3、n=9，則(qm/qm)P=±1.5%，考慮所有因素時(shí)流量測(cè)量的百分率不確定度為：qm/qm=1.87% ，即0.5級(jí)差壓測(cè)量?jī)x表在測(cè)量上限流量的1/9時(shí)的流量百分率不確定度為±1.87%；若取a=0 .2、X=5、n=25，則(qm/qm)P=±1.67%，考慮所有因素時(shí)流量測(cè)量的百分 率不確定度 為：qm/qm=2.01%，即0.2級(jí)差壓測(cè)量?jī)x表在測(cè)量上限流量的1/25時(shí)的流量百分

12、率不確 定度為±2.01%。這樣節(jié)流裝置的范圍度就由原來(lái)的35：1擴(kuò)大到925：1。    由于低流量工況時(shí)的溫度、壓力也會(huì)有所變化，所以節(jié)流裝置的、d、都會(huì)隨之變 化，需要重新計(jì)算。GB/T262493的附錄E和附錄G3中分別給出了在給定D、d和qm條件下 求 差壓的迭代計(jì)算格式和計(jì)算機(jī)計(jì)算框圖，借助于計(jì)算機(jī)編程，可迅速而準(zhǔn)確地求出P，下 面舉例說(shuō)明。    已知某角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量過(guò)熱蒸汽，工作絕壓0.8MPa、溫度250、最大流量60t/h、差 壓上限60kPa，管道為20#鋼D2O=412mm，查得密度=3.410

13、5kg/m3、粘度=18.08 ×10-6Pa.s、等熵指數(shù)K=1.31、管道線脹系數(shù)D=12.78×10-6/，按常用 流量qmc=42t/h(差壓29.4kPa)設(shè)計(jì)計(jì)算的C=0.6037213、=0.6349638、=0.987555 6，孔板材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼d20=229.09mm，測(cè)量范圍為2060t/h。    現(xiàn)將最大流量改為30t/h、工作絕壓0.8MPa、溫度240，按常用流量21t/h計(jì)算，結(jié)果如下 ：ReD=1018511 C=0.6039818=0.6352308 =0.9970140dt=229.957

14、mm =3.4858kg/m3PK=14.397kPa其中：PK差壓上限。    即將差壓變送器的量程調(diào)至014.397kPa，還可測(cè)量1030t/h范圍內(nèi)的流量，總的測(cè) 量范圍為1060t/h，量程比擴(kuò)大為6：1。    如果將最大流量改為20t/h、工作絕壓0.8MPa、溫度230，按常用流量14t/h計(jì)算，結(jié)果如 下：ReD=695648 C=0.6042003=0.6354547 =0.9987069dt=229.917mm =3.5652kg/m3PK=6.235kPa    即將差壓變送器的量

15、程調(diào)至06.235kPa，還可測(cè)量6.66720t/h范圍內(nèi)的流量，總的測(cè)量 范圍為6.66760t/h，范圍度擴(kuò)大為9：1。    由以上兩例我們可以看出，由于流量與差壓的關(guān)系是開(kāi)方關(guān)系，所以當(dāng)流量范圍度往下限方 向擴(kuò)大X倍時(shí)，相應(yīng)的差壓則縮小約X2倍。因此，使用上述方法應(yīng)注意在設(shè)計(jì)孔板時(shí)差壓 不能取得太小。5 可行性論證與實(shí)施方案    為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述方法的可行性，假設(shè)不知道節(jié)流孔直徑，用GB/T262493的附錄E 、附錄G2中給定D、P和qm條件下求節(jié)流孔直徑的迭代計(jì)算格式和計(jì)算機(jī)計(jì)算框圖編程計(jì) 算d20來(lái)反證。 

16、;   設(shè)計(jì)一角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板，測(cè)量過(guò)熱蒸汽，工作絕壓0.8MPa、溫度240、最大流量30t/h、 差壓上限14.397kPa，管道為20#鋼D20=412mm，查得密度3.4858kg/m3、粘度17.65 ×10-6Pa.s、等熵指數(shù)1.31、管道線脹系數(shù)12.78×10-6/，按常用流量qmc=21t/h、孔板材質(zhì)按1Cr18Ni9Ti不銹鋼計(jì)算，結(jié)果如下：ReD=1018511 C=0.6039817=0.6352288 =0.9970138=0.5565753 d20=229.087mm    同理，當(dāng)工作絕壓0

17、.8MPa、溫度230、最大流量20t/h、差壓上限6.235kPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果為 ：ReD=695648 C=0.6042003=0.6354556 =0.9987069=0.5565622 d20=229.092mm    兩種情況的計(jì)算結(jié)果均與前面的設(shè)計(jì)結(jié)果d20=229.09mm相吻合。由此可見(jiàn)，上述 擴(kuò)大孔板范圍度的方法是切實(shí)可行的。    對(duì)于流量變化不太頻繁的場(chǎng)合(比如冬季采暖時(shí)流量大、采暖過(guò)后轉(zhuǎn)為小流量，一年僅兩次 倒換變送器的操作)，可采用重調(diào)差壓變送器量程或更換變送器的辦法。而對(duì)于流量變化頻 繁 的場(chǎng)合比如一個(gè)月甚

18、至一周都要來(lái)回倒換兩次差壓變送器并修改二次儀表的設(shè)置參數(shù)，用上 述辦法不但繁瑣，而且閥門(mén)的頻繁操作易產(chǎn)生泄漏而影響計(jì)量，這時(shí)可采用一個(gè)取壓口并列 安裝一大一小兩臺(tái)差壓變送器的辦法如圖1所示。  圖1 差壓變送器安裝示意圖    通過(guò)對(duì)數(shù)臺(tái)量程為4kPa的1151型差壓變送器施加100kPa的差壓后再進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)差壓 變送器即沒(méi)有因嚴(yán)重過(guò)范圍而損壞，也沒(méi)有影響到變送器測(cè)量04kPa范圍內(nèi)的精度。所以 ，當(dāng)選用電容式、擴(kuò)散硅或其它單向承壓能力強(qiáng)的變送器時(shí)，可采用圖2所示的接線方法， 將變送器的倒換操作簡(jiǎn)化為電氣切換操作，即在測(cè)量大流量(即大差壓)時(shí)不用關(guān)閉小量程差 壓變送器，通過(guò)一單刀雙位開(kāi)關(guān)切換變送器的24V電源即可，進(jìn)而提高系統(tǒng)計(jì)量的可靠性和 準(zhǔn)確性。&