標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)：課程設(shè)計(jì)說明書題 目：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 院： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師：蕭貴玲 王文蘭2012年 1 月 6 日摘要 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只適用于測量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體的流量，并要求流體充滿管道；在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)；流速小于音速，流動(dòng)屬于非脈動(dòng)流；流體在流過節(jié)流件前，流束與管道軸線平行，不得有旋轉(zhuǎn)流 已知管道內(nèi)徑及管路分布情況，流體的性質(zhì)和參數(shù)值，大致流量范圍，可以進(jìn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)，即要進(jìn)行以下工作：選擇節(jié)流形式和確定節(jié)流件開孔直徑；選擇差壓計(jì)類型及其差壓和流量量程范圍；建議節(jié)流件在管道上的布置位置；

2、必要時(shí)計(jì)算流量測量不確定度。關(guān)鍵字：節(jié)流件；標(biāo)準(zhǔn)孔板；差壓變送器；全開閘閥目錄引 言第一章 節(jié)流式流量測量原理及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2 1.1 節(jié)流件測量原理21.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2第二章 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件差壓計(jì)及取壓裝置42.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件42.2 差壓計(jì)62.3 取壓裝置7第三章 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算及檢驗(yàn)計(jì)算83.1已知條件83.2 準(zhǔn)備計(jì)算8 3.2.1 求介質(zhì)密度、介質(zhì)動(dòng)力粘度及管道材料膨脹系數(shù)8 3.2.3 計(jì)算正常流量ReDch和最小流量下的雷諾數(shù)ReDMIN9 3.2.4 確定差壓計(jì)類型及量程范圍9第四章 重要參數(shù)的計(jì)算及校驗(yàn)104.1 確定值及節(jié)流件開孔直徑10 4.1.1 常用流量下的差壓值10

3、 4.1.2 迭代計(jì)算值和d值10 4.1.3 迭代計(jì)算104.2 確定壓損124.3 確定節(jié)流件的開孔直徑124.4 確定直管段長度對(duì)管道粗糙度的要求:134.5 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量結(jié)果不確定度13第五章 系統(tǒng)的安裝及使用說明155.1流量裝置和差壓計(jì)的安裝連接系統(tǒng)圖155.2 元件的安裝155.3 使用說明15結(jié) 論16參考文獻(xiàn)17引言 最近幾十年各行各業(yè)對(duì)流量測量的需求急劇增長，促使儀表迅速發(fā)展，同時(shí)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展也極大地推動(dòng)了儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)的發(fā)展勢頭非常強(qiáng)勁。至今，已有上百種流量計(jì)投向市場，在使用過程中許多棘手的難題渴望獲得解決。因此，流量和壓力、溫度儀表一樣

4、得到最廣泛的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)是通過大量試驗(yàn)總結(jié)出來的，該裝置一經(jīng)加工完畢便可以直接投產(chǎn)使用，無須進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定。這種測量方法經(jīng)過長期的研究和使用，數(shù)據(jù)，資料比較齊全，對(duì)幾種常用的節(jié)流方式，各國已制定了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)規(guī)定的條件和計(jì)算方法設(shè)計(jì)出的節(jié)流裝置可直接投入使用。采用這種方法測量流量，精度可達(dá)1%，測量范圍為3:1，測量元件壽命較長，應(yīng)用較廣泛，幾乎可以測量各種工況下的單相流體的測量。不足之處是壓損大，儀表刻度為非線性，有時(shí)維護(hù)工作量較大。第一章 節(jié)流式流量測量原理及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1 節(jié)流件測量原理在管道內(nèi)裝入節(jié)流件，流體流過節(jié)流件時(shí)流束收縮，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓，對(duì)于一定形

5、狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測壓位置和前后直管道情況，一定參數(shù)的流體，和其他條件下，節(jié)流件前后產(chǎn)生的差壓值隨流量而變，并且兩者之間有確定的關(guān)系。因此可通過測量差壓來測量流量。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只適用于測量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體的流量，并要求流體充滿管道；在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)；流速小于音速，流動(dòng)屬于非脈動(dòng)流；流體在流過節(jié)流件前，流束與管道軸線平行，不得有旋轉(zhuǎn)流。1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)的基本原理是，測量流體的體積流量、溫度和壓力值，根據(jù)已知的被測流體密度與溫度、壓力之間的關(guān)系，通過運(yùn)算，把測得的體積流量數(shù)值自動(dòng)換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量數(shù)值。由于被側(cè)流體

6、種類一定后，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度0是定值，所以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量就代表了流體的質(zhì)量流量值。連續(xù)測量溫度、壓力比連續(xù)測量密度容易。因此工業(yè)上所用的質(zhì)量流量計(jì)多采用這種原理。若被側(cè)流體為低壓范圍內(nèi)的氣體，則可用用理想氣體狀態(tài)方程，即: （1-1）式中熱力學(xué)溫度T、壓力為P工作狀態(tài)下的氣體密度；0熱力學(xué)溫度TO 、壓力為P0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度。此時(shí)，對(duì)于體積式流量計(jì)或速度式流量計(jì)測得的流體體積流量qv，可經(jīng)過下是進(jìn)行溫度，壓力補(bǔ)償后得到質(zhì)量流量： （1-2）式中C1常數(shù)，。對(duì)于測量的差壓式流量計(jì)，則可按下式進(jìn)行壓力溫度補(bǔ)償 （1-3）式中C2常數(shù)，從上式可知，只要測得差壓式流量計(jì)的差壓值和溫度、壓

7、力值就能求得質(zhì)量流量值。氣體質(zhì)量流量計(jì)的溫度、壓力補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖詳見附件。第二章 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件差壓計(jì)及取壓裝置2.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件節(jié)流件的形式很多：有孔板、噴嘴、文丘利管、1/4圓噴嘴等。用得最廣泛的節(jié)流件是孔板和噴嘴，這兩種形式的節(jié)流件的外形、尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化，并同時(shí)規(guī)定了它們的取壓方式和前后直管段要求，總稱為“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置”，通過大量試驗(yàn)求得了這類標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量與差壓的關(guān)系，以“流量測量節(jié)流裝置國家標(biāo)準(zhǔn)”的形式公布。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只適用于測量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體的流量，并要求流體充滿管道；在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)；流速小于音速，流動(dòng)屬于非脈動(dòng)流；流體在流過節(jié)流件前，流

8、束與管道軸線平行，不得有旋轉(zhuǎn)流。如圖21所示，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置包括：節(jié)流件、取壓裝置、節(jié)流件上游側(cè)第一個(gè)阻力件、第二個(gè)阻力件，下游側(cè)第一個(gè)阻力件以及在它們之間的直管段：圖21 整套節(jié)流裝置示意圖1上游側(cè)第二個(gè)局部阻力件；2上游側(cè)第一個(gè)局部阻力件；3節(jié)流件； 4下游側(cè)第一個(gè)局部阻力件關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的形式，目前國標(biāo)規(guī)定如下：標(biāo)準(zhǔn)孔板和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。國際上還有一些其他的已標(biāo)準(zhǔn)化了的節(jié)流件，如徑距取壓（即D和0.5D取壓，D為管道內(nèi)徑）標(biāo)準(zhǔn)孔板，徑距取壓長徑噴嘴（亦稱ASME噴嘴），古典文丘利管和文丘利噴嘴等。本次課設(shè)要求用標(biāo)準(zhǔn)孔板，其結(jié)構(gòu)如圖22所示。圖22 標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板制造安裝的要求如下： （1）標(biāo)準(zhǔn)

9、孔板的開孔直徑d是一個(gè)重要的尺寸，應(yīng)實(shí)際測量。測量在上游段進(jìn)行，最好是在四個(gè)大致相等的角度上測量直徑，求其平均值。要求各個(gè)單測值與平均值之差在0.05%范圍內(nèi)；（2）標(biāo)準(zhǔn)孔板的全稱是“同心薄壁銳緣孔板”，因此孔板進(jìn)口圓筒形部分應(yīng)與管道同心安裝；（3）孔板進(jìn)口邊緣應(yīng)是嚴(yán)格直角，不能有毛刺和可見的反光，即進(jìn)口邊緣應(yīng)很尖銳，邊緣半徑不大于0.0004d。所謂薄壁是指孔板厚度E和圓筒形厚度e不能過大。標(biāo)準(zhǔn)孔板制造安裝的其他要求是：1)在各處測得的E值之間的最大差值和各處測得的e值之間的最大差值均不得超過0.001D；2)孔板必須與管道軸線垂直安裝，其偏差不超過±1度；3)若E0.02D，則可

10、以不做成度的圓錐形出口，這樣的孔板適用于測量雙向流動(dòng)的流體，但這時(shí)要求下游端面的標(biāo)粗糙度和邊緣尖銳度必須與上游端面的相同；4)孔板加工過程中，不得使用刮刀和砂布進(jìn)行修刮和打磨。標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍如表21所示：表21 標(biāo)準(zhǔn)孔板適用范圍角接取壓法蘭取壓徑距取壓12.mmd50mmD100mm0.20.75當(dāng)0.20.45時(shí)，ReD5000ReD12602D當(dāng)0.4時(shí)，ReD10000 2.2 差壓計(jì)差壓計(jì)類型類型根據(jù)投資費(fèi)用和準(zhǔn)確度要求選取，可參考參考文獻(xiàn)1附錄表-13，本設(shè)計(jì)選用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5的電容式差壓變送器。選擇差壓計(jì)量程的原則是,在保證壓損不超過允許壓損y的條件下，選用較大的差壓計(jì)量程

11、上限，從而使值較小，并盡可能使在圍內(nèi)為好。這是由于值愈小，用要求直管段愈短；較小時(shí)在較低的雷諾數(shù)下C值就趨于穩(wěn)定不變；較小時(shí)對(duì)管道粗糙度要求較低；小于006時(shí)C值誤差較小等。但過小，除會(huì)造成過大的壓力損失外，還會(huì)使d值過小而加工不變。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)孔板，過小的d值使孔板入口邊緣的尖銳度要求難于保證，從而引起較大的測量誤差。特別應(yīng)注意，對(duì)于可壓縮性流體，應(yīng)使p/p1<0.25。對(duì)于壓力損失有嚴(yán)格限制的情況，可先按允許壓力損失y來估算壓力計(jì)量程上限，計(jì)算結(jié)束時(shí)再 驗(yàn)算壓力損失是否超過。如超過，則降低差壓計(jì)上限重算。對(duì)于孔板，可用式估計(jì)。本設(shè)計(jì)差壓計(jì)量程上限按下式計(jì)算：=2.5y=2.5×

12、10×103=25KPa （2-1）根據(jù)參考文獻(xiàn)1,附錄表13，可選用1151DR電容式差壓變送器，其量程范圍（12.5152）×9.81Pa，耐靜壓力為0.7MPa。變送器量程調(diào)整在025×103Pa，流量指示儀表的刻度上限為12.5t/h,本例最大，流量為10.5t/h，驗(yàn)算/P=25×103/1.019×105=0.0620.5符合規(guī)定。2.3取壓裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的形式和取壓方式，目前國際規(guī)定如下：標(biāo)準(zhǔn)孔板：角接取壓、法蘭取壓；標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（亦稱ISA1932噴嘴）；角接取壓取壓裝置的類型有角接取壓和法蘭取壓，本次試驗(yàn)所用的是角接取壓。角接取壓

13、裝置有環(huán)室取壓和單獨(dú)孔取壓兩種。環(huán)室取壓的前、后環(huán)室裝在節(jié)流件兩邊，環(huán)室夾在法蘭之間，法蘭和環(huán)室、環(huán)室和節(jié)流件之間放有墊片并加緊。節(jié)流件前后的壓力是從前、后環(huán)室和節(jié)流件前、后端面之間所形成的連續(xù)環(huán)隙上取得的，為整個(gè)圓周上的平均值。單獨(dú)鉆孔取壓可以鉆在法蘭上，也可以鉆在法蘭之間的夾緊環(huán)上。取壓孔在夾緊環(huán)內(nèi)壁的出口邊緣必須與夾緊環(huán)內(nèi)壁平齊，并有不大于取壓孔直徑1/10的倒角，無可見的毛刺和突出部分。取壓孔應(yīng)為圓筒形，其軸線應(yīng)盡可能與管道軸線垂直。第三章 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算及檢驗(yàn)計(jì)算3.1已知條件1被測介質(zhì)：空氣；2流量測量范圍：qmax=9450/h、qch =7000/h、qmin=4000/h；3介

14、質(zhì)參數(shù)：p=370mmH2O(表壓)，t=60，地區(qū)平均壓力：759mmHg；4允許壓損：p150 mmH2O；5管道內(nèi)徑：D20=300mm；6管道材料：20號(hào)鋼；管道情況如圖所示7節(jié)流件型式：角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板；節(jié)流件材料：1Cr18Ni9Ti；4m 11m全開閘閥8管道情況：如圖3.1所示圖31 管道情況圖3.2 準(zhǔn)備計(jì)算3.2.1 求介質(zhì)密度、介質(zhì)動(dòng)力粘度及管道材料膨脹系數(shù)介質(zhì)的壓力P1:P=370mmH2O(表壓)=370×9.806=3628.22 P平均=759×133.3=101174.7所以P1=（P+P平均）=3628.22+101174.7=104802

15、.22Pa （3-1）根據(jù)管道材料20號(hào)鋼和介質(zhì)溫度 ，可以從附錄-3【2】中查的管道材料線膨脹系數(shù),已知介質(zhì)粘度=2×10-5Pa.s k=1.4計(jì)算: （3-2）3.2.3 計(jì)算正常流量ReDch和最小流量下的雷諾數(shù)ReDMIN根據(jù)題目要求進(jìn)行單位換算：qmax=94501.06=10017kg/h qch=70001.06=7420kg/h qmin=4000×1.06=4240kg/h P=370×9.8=3626Pa ReDch=4.374×105 （3-3） （3-4）由上式可得，在最小流量下的雷諾數(shù) ReDmin已超過標(biāo)準(zhǔn)孔板雷諾數(shù)適用范圍

16、的下限。在不同的流量下，雷諾數(shù)Re D不同，原則上說C值數(shù)值不同，只是在高雷諾數(shù)下流量讀C值的影響較下而已，并且在不同的流量下，輸出差壓也不同，因而也不相同，而一般的流量計(jì)分度時(shí)是將它們作為常數(shù)的，根據(jù)ReDch , ReDmin 確定形式為標(biāo)準(zhǔn)孔板，符合標(biāo)準(zhǔn)孔板適用范圍見表10-11 3.2.4 確定差壓計(jì)類型及量程范圍 因?yàn)?差壓計(jì)量程上限Pmax按下式計(jì)算：Pmax2.5=2.4×1470=3530.16Pa 參考附錄表-131,可選用1151DP電容式差壓變送器，其量程為（127762）×9.81Pa，耐壓靜壓力為14MPa,選擇精度等級(jí)為0.2，最大流量為1001

17、7kg/h，所以流量上限為qmax定為12.5t/h驗(yàn)算Pmax/pz=3530.16/104802.22=0.034<0.2符合規(guī)定。第四章 重要參數(shù)的計(jì)算及校驗(yàn)4.1 確定值及節(jié)流件開孔直徑4.1.1 常用流量下的差壓值因?yàn)?（4-1） 所以 4.1.2 迭代計(jì)算值和d值 （4-2）dt=Dt （4-3）4.1.3 迭代計(jì)算計(jì)算A值：A= （4-4）由上式可求得 A0.4456（1）第一步 設(shè)初始值則有 （4-5） （4-6）根據(jù)，計(jì)算. （4-7）0.5894 （4-8）(2) 第二步 計(jì)算 （4-9） （4-10）根據(jù)，計(jì)算. （4-11） =0.591889951 （4-12）

18、(3) 第三步 計(jì)算 （4-13） （4-14）根據(jù)，計(jì)算. （4-15） （4-16）（4） 第四步 計(jì)算 （4-17） (4-18) （4-19） 0.59161 （4-20） 精密度判據(jù)為： （4-21） 3.1229×10-5<5×10-5 迭代結(jié)束后得: C=0.59161 4.2 確定壓損 （4-22） =719.86p=1470.9 壓力損失驗(yàn)算合格4.3 確定節(jié)流件的開孔直徑選用1cr18ni9ti不銹鋼為標(biāo)準(zhǔn)孔板,從附錄表-31中查得d=故=234.74 (4-23)4.4 確定直管段長度對(duì)管道粗糙度的要求:按=0.71802選=0.8規(guī)定上游側(cè)第一

19、阻李件為兩個(gè)90o彎頭,上游側(cè)第二阻力件為全開閘閥,下游側(cè)阻力件為兩個(gè)90o彎頭,從表10-21中查得: （4-24） （4-25） （4-26）標(biāo)準(zhǔn)孔板對(duì)管道相對(duì)粗糙度的限值可以從表10-41中查得:對(duì)于=0.8管道相對(duì)粗糙度的限值為所以要求節(jié)流件10D以內(nèi)管道的絕對(duì)粗糙度為Ks: （4-27）新無縫鋼管的絕對(duì)粗糙度Ks=0.051mm,選擇內(nèi)壁光滑的無縫鋼管即能符合粗糙度的要求。4.5 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量結(jié)果不確定度取計(jì)算： 流出系數(shù)和流束膨脹系數(shù)的不確定度和：% =0.785%: (4-28)%=0.076% (4-29)節(jié)流件孔徑的不確定度： % (4-30)管徑的不確定度：% （4-31）差壓測量值的不確定度：% % （4-32）密度值的不確定度：根據(jù)表4查得：% 選擇變壓器等級(jí)為0.2級(jí)，指示儀表為0.5級(jí)，因此：±1.15%第五章 系統(tǒng)的安裝及使用說明5.1流量裝置和差壓計(jì)的安裝連接系統(tǒng)圖流量裝置和差壓計(jì)的安裝連接系統(tǒng)如附錄5.2 元件的安裝節(jié)流件的安裝，如圖4-1所示，其它系統(tǒng)圖祥見目錄。圖 4-1 管路簡圖5.3 使用說明使用前，應(yīng)關(guān)閉差壓計(jì)上兩道壓閥的情況下，對(duì)導(dǎo)壓管進(jìn)行吹洗，以免管道中銹污和雜物進(jìn)入差壓計(jì)。使用時(shí)，首先緩慢的打開節(jié)流裝置上的兩個(gè)導(dǎo)壓閥，使被測氣體充滿導(dǎo)壓管。然后打開平衡閥，并微微打開差壓計(jì)