標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號：課程設(shè)計說明書題 目：標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué) 院： 班 級： 指導(dǎo)教師：蕭貴玲 王文蘭2012年 1 月 6 日摘要 標準節(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，流動屬于非脈動流；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，可以進行設(shè)計標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)，即要進行以下工作：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、必要時計算流量測量不確定度。關(guān)鍵字：節(jié)流件；標準孔板；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2 1.1 節(jié)流件測量原理21.2 系統(tǒng)總體設(shè)計2第二章 標準節(jié)流件差壓計及取壓裝置42.1 標準節(jié)流件42.2 差壓計62.3 取壓裝置7第三章 關(guān)鍵參數(shù)計算及檢驗計算83.1已知條件83.2 準備計算8 3.2.1 求介質(zhì)密度、介質(zhì)動力粘度及管道材料膨脹系數(shù)8 3.2.3 計算正常流量ReDch和最小流量下的雷諾數(shù)ReDMIN9 3.2.4 確定差壓計類型及量程范圍9第四章 重要參數(shù)的計算及校驗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 迭代計算值和d值10 4.1.3 迭代計算104.2 確定壓損124.3 確定節(jié)流件的開孔直徑124.4 確定直管段長度對管道粗糙度的要求:134.5 標準節(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17引言 最近幾十年各行各業(yè)對流量測量的需求急劇增長，促使儀表迅速發(fā)展，同時微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展也極大地推動了儀表更新?lián)Q代，新型流量計的發(fā)展勢頭非常強勁。至今，已有上百種流量計投向市場，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)用標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)是通過大量試驗總結(jié)出來的，該裝置一經(jīng)加工完畢便可以直接投產(chǎn)使用，無須進行實際標定。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，對幾種常用的節(jié)流方式，各國已制定了標準規(guī)定，根據(jù)規(guī)定的條件和計算方法設(shè)計出的節(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，有時維護工作量較大。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)流件時流束收縮，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓，對于一定形

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。標準節(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，流動屬于非脈動流；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)計溫度、壓力補償式質(zhì)量流量計的基本原理是，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，通過運算，把測得的體積流量數(shù)值自動換算到標準狀態(tài)下的體積流量數(shù)值。由于被側(cè)流體

6、種類一定后，其標準狀態(tài)下的密度0是定值，所以標準狀態(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標準狀態(tài)下的氣體密度。此時，對于體積式流量計或速度式流量計測得的流體體積流量qv，可經(jīng)過下是進行溫度，壓力補償后得到質(zhì)量流量： （1-2）式中C1常數(shù)，。對于測量的差壓式流量計，則可按下式進行壓力溫度補償 （1-3）式中C2常數(shù)，從上式可知，只要測得差壓式流量計的差壓值和溫度、壓

7、力值就能求得質(zhì)量流量值。氣體質(zhì)量流量計的溫度、壓力補償系統(tǒng)原理圖詳見附件。第二章 標準節(jié)流件差壓計及取壓裝置2.1 標準節(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、尺寸已標準化，并同時規(guī)定了它們的取壓方式和前后直管段要求，總稱為“標準節(jié)流裝置”，通過大量試驗求得了這類標準節(jié)流裝置的流量與差壓的關(guān)系，以“流量測量節(jié)流裝置國家標準”的形式公布。標準節(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，流動屬于非脈動流；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，標準節(jié)流裝置包括：節(jié)流件、取壓裝置、節(jié)流件上游側(cè)第一個阻力件、第二個阻力件，下游側(cè)第一個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)第二個局部阻力件；2上游側(cè)第一個局部阻力件；3節(jié)流件； 4下游側(cè)第一個局部阻力件關(guān)于標準節(jié)流件的形式，目前國標規(guī)定如下：標準孔板和標準噴嘴。國際上還有一些其他的已標準化了的節(jié)流件，如徑距取壓（即D和0.5D取壓，D為管道內(nèi)徑）標準孔板，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)要求用標準孔板，其結(jié)構(gòu)如圖22所示。圖22 標準孔板標準孔板制造安裝的要求如下： （1）標準

9、孔板的開孔直徑d是一個重要的尺寸，應(yīng)實際測量。測量在上游段進行，最好是在四個大致相等的角度上測量直徑，求其平均值。要求各個單測值與平均值之差在0.05%范圍內(nèi)；（2）標準孔板的全稱是“同心薄壁銳緣孔板”，因此孔板進口圓筒形部分應(yīng)與管道同心安裝；（3）孔板進口邊緣應(yīng)是嚴格直角，不能有毛刺和可見的反光，即進口邊緣應(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。標準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的流體，但這時要求下游端面的標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行修刮和打磨。標準孔板的適用范圍如表21所示：表21 標準孔板適用范圍角接取壓法蘭取壓徑距取壓12.mmd50mmD100mm0.20.75當0.20.45時，ReD5000ReD12602D當0.4時，ReD10000 2.2 差壓計差壓計類型類型根據(jù)投資費用和準確度要求選取，可參考參考文獻1附錄表-13，本設(shè)計選用準確度等級為0.5的電容式差壓變送器。選擇差壓計量程的原則是,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；較小時在較低的雷諾數(shù)下C值就趨于穩(wěn)定不變；較小時對管道粗糙度要求較低；小于006時C值誤差較小等。但過小，除會造成過大的壓力損失外，還會使d值過小而加工不變。對于標準孔板，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，對于可壓縮性流體，應(yīng)使p/p1<0.25。對于壓力損失有嚴格限制的情況，可先按允許壓力損失y來估算壓力計量程上限，計算結(jié)束時再 驗算壓力損失是否超過。如超過，則降低差壓計上限重算。對于孔板，可用式估計。本設(shè)計差壓計量程上限按下式計算：=2.5y=2.5×

12、10×103=25KPa （2-1）根據(jù)參考文獻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，驗算/P=25×103/1.019×105=0.0620.5符合規(guī)定。2.3取壓裝置標準節(jié)流件的形式和取壓方式，目前國際規(guī)定如下：標準孔板：角接取壓、法蘭取壓；標準噴嘴（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，本次試驗所用的是角接取壓。角接取壓

13、裝置有環(huán)室取壓和單獨孔取壓兩種。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，為整個圓周上的平均值。單獨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)計算及檢驗計算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號鋼；管道情況如圖所示7節(jié)流件型式：角接取壓標準孔板；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 準備計算3.2.1 求介質(zhì)密度、介質(zhì)動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計算: （3-2）3.2.3 計算正常流量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已超過標準孔板雷諾數(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，而一般的流量計分度時是將它們作為常數(shù)的，根據(jù)ReDch , ReDmin 確定形式為標準孔板，符合標準孔板適用范圍見表10-11 3.2.4 確定差壓計類型及量程范圍 因為,差壓計量程上限Pmax按下式計算：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)的計算及校驗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為 （4-1） 所以 4.1.2 迭代計算值和d值 （4-2）dt=Dt （4-3）4.1.3 迭代計算計算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)，計算. （4-7）0.5894 （4-8）(2) 第二步 計算 （4-9） （4-10）根據(jù)，計算. （4-11） =0.591889951 （4-12）

18、(3) 第三步 計算 （4-13） （4-14）根據(jù)，計算. （4-15） （4-16）（4） 第四步 計算 （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 壓力損失驗算合格4.3 確定節(jié)流件的開孔直徑選用1cr18ni9ti不銹鋼為標準孔板,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90o彎頭,從表10-21中查得: （4-24） （4-25） （4-26）標準孔板對管道相對粗糙度的限值可以從表10-41中查得:對于=0.8管道相對粗糙度的限值為所以要求節(jié)流件10D以內(nèi)管道的絕對粗糙度為Ks: （4-27）新無縫鋼管的絕對粗糙度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 標準節(jié)流裝置流量結(jié)果不確定度取計算： 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：% 選擇變壓器等級為0.2級，指示儀表為0.5級，因此：±1.15%第五章 系統(tǒng)的安裝及使用說明5.1流量裝置和差壓計的安裝連接系統(tǒng)圖流量裝置和差壓計的安裝連接系統(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)閉差壓計上兩道壓閥的情況下，對導(dǎo)壓管進行吹洗，以免管道中銹污和雜物進入差壓計。使用時，首先緩慢的打開節(jié)流裝置上的兩個導(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