第七章節(jié)流式流量計(新)

第七章節(jié)流式流量計第一節(jié)概述

●節(jié)流式流量計是工業(yè)上最為廣泛使用的一類流量測量儀表。

●工作原理：在管道中放置一節(jié)流元件，流體流經(jīng)節(jié)流元件時發(fā)生節(jié)流，在節(jié)流元件的前后兩側(cè)產(chǎn)生壓力差（差壓）。當流體、工況、管道、節(jié)流件、差壓取出方式一定時，管道流量與差壓有確定的關(guān)系。因此可通過測量差壓來測量流量。節(jié)流式流量計也稱為變壓降式流量計?！窠M成

由節(jié)流裝置、差壓計或差壓變送器、二次顯示儀表（動圈表、自動電位差計）等組成。

●分類：節(jié)流式流量計有標準化和非標準化兩類。是非通用儀表，即安裝在生產(chǎn)過程中使用著的節(jié)流式流量計僅適用于該地的情況和工況。因此節(jié)流式流量計是根據(jù)要求具體設(shè)計、安裝、使用的。

●標準節(jié)流裝置的設(shè)計計算要嚴格遵循標準節(jié)流裝置設(shè)計、安裝和使用的國家“標準”(GB／T2624—93)或國際“標準”(ISO5176—1)。按“標準”進行設(shè)計、安裝、使用的標準節(jié)流裝置，其流量與差壓的關(guān)系按理論公式標定，并有統(tǒng)一的基本誤差、計算方法，一般不需要進行實驗標定或比對。

第二節(jié)流量公式流量公式就是差壓和流量之間的關(guān)系式。它是通過伯努利方程和流動連續(xù)性方程來推導。

一、不可壓縮流體的流量公式流體在管道中發(fā)生節(jié)流時，管道中各處的流速變化及壓力變化情況見圖所示。

對于一定常的流動，在截面A和截面B處將滿足流體質(zhì)量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情況下，流體流動連續(xù)性方程和伯努利方程為由上兩式解方程組，可得引入如下幾個參數(shù)：（收縮系數(shù)）（直徑比）（取壓系數(shù)）

可寫成：

所以，可得質(zhì)量流量：

定義流量系數(shù)α和流出系數(shù)C：

于是，不可壓縮流體的流量公式為

二、可壓縮流體的流量公式

為方便起見，規(guī)定公式中的密度仍使用節(jié)流件前的流體密度ρ1，α和C值仍取相當于不可壓縮流體時的數(shù)值，而把全部的流體可壓縮性對流體系數(shù)和流出系數(shù)的影響用一個流束膨脹系數(shù)ε來考慮。當流體為不可壓縮性流體時，ε=1。所以流量公式可統(tǒng)一寫成：

流量公式中各量的單位為：體積流量qV—m3/s；質(zhì)量流量qm——Kg/s；直徑d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差壓Δp—Pa。

流量公式的實用形式:流量公式中各量的單位為：體積流量qV—m3/h；質(zhì)量流量qm——Kg/h；直徑d或D—mm；密度ρ1—kg/m3；差壓Δp—Pa。

第三節(jié)標準節(jié)流裝置的組成與類型

一、標準節(jié)流裝置的組成與類型

標準節(jié)流裝置由三部分組成：節(jié)流件、取壓裝置、測量直管段（節(jié)流件前10D，后5D）。

1.節(jié)流件的結(jié)構(gòu)形式（1）標準孔板

標準孔板結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，價格便宜。

它的特征孔徑是節(jié)流孔前段圓筒形孔徑d。標準孔板兩側(cè)的壓力差信號可以采用角接取壓、法蘭取壓和徑距取壓。（2）標準噴嘴標準噴嘴有兩種結(jié)構(gòu)形式：ISA1932噴嘴、長徑噴嘴。

當d＞2D／3時，還應在入口部分切除一部分圓廓形收縮段。其應切去的長度為

(a)高比值(0.25≤β≤0.8)(b)低比值(0.2≤β≤0.5)

長徑噴嘴

經(jīng)典文丘里管（3）文丘里管標準文丘里管也分兩種型式：一種為經(jīng)典文丘里管或簡稱文丘里管；另一種為文丘里噴嘴，每一種又分長、短兩種。文丘里噴嘴

2.取壓裝置角接取壓分為環(huán)室取壓和單獨鉆孔取壓,上、下側(cè)壓力在節(jié)流件前后端面處取出

。(2)法蘭取壓裝置上、下側(cè)壓力在連接法蘭上距節(jié)流件前后端面25.4mm處取出。(3)徑距取壓上、下側(cè)壓力在測量管段上距節(jié)流件前端面Ｄ和后Ｄ處取出。

我國GB/T2624—93標準中規(guī)定的標準節(jié)流裝置有：◆角接取壓標準孔板；◆法蘭取壓標準孔板；◆

D和D取壓標準孔板；◆角接取壓標準噴嘴（ISA1932噴嘴）；◆

D和D取壓長徑噴嘴；◆經(jīng)典文丘里管（入口圓筒段上取壓和喉部取壓）；◆文丘里噴嘴（上游角接取壓和喉部取壓）。

角接取壓標準孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。法蘭取壓和徑距取壓標準孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：m）。

ISA1932噴嘴角接取壓裝置有單獨鉆孔和環(huán)室取壓。

ISA1932噴嘴的適用范圍：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44時），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80時）。

二、適用的流體條件

●

標準節(jié)流裝置適用于測量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體，即是可壓縮的（氣體）或認為不可壓縮的（液體）牛頓流體;

●要求流體充滿管道；流體流動是穩(wěn)定的或隨時間緩變的；流動不可以是脈動流和旋轉(zhuǎn)流，流束與管道軸線平行；

●流體流經(jīng)節(jié)流件前流動應達到充分紊流，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。

三、適用的管道條件

1.管道內(nèi)表面光滑,應不超過表4-1、表4-2給出的相對粗糙度上限值。表4-1標準孔扳上游管段相對粗糙度（Kc/D）上限值

表4-2ISA1932噴嘴上游管段相對粗度（Kc/D）上限值

2.節(jié)流件前后應有足夠長的直管段L節(jié)流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置將影響流速分布，節(jié)流孔d與管道內(nèi)徑D之比β=d／D（直徑比）也將影響流速分布。在節(jié)流件前后有足夠的直管段，不然就保證不了測量的精確度。最小直管段L由三段長度（l0，l1，l2）組成，l1是節(jié)流件與上游第一阻流件之間的直管段最小長度，由第一阻流件形式和β值決定，按下表查算。l0是上游第一阻流件與上游第二阻流件之間的直管段，由第二阻流件的形式和β=0.7（無論產(chǎn)的實際值為多少）決定，按下表給出值的一半計算。l2是節(jié)流件到下游阻流件直管段的最小長度，無論上游阻流件的形式如何均決定于β的值，由下表查算。

3.適用于圓形截面管道測量段管道應被流體充滿。節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。在所要求的整個直管段長度上，管道截面應該是圓形的，沒有特殊要求，只是在鄰近節(jié)流裝置附近對管道的圓度有特殊要求，這在“標準”中有詳細規(guī)定。對于管道的粗糙度,節(jié)流件上游10D、下游5D（測量直管段），要求滿足給出的相對粗糙度上限值，L的其余部分和L以遠的管道可以是粗糙的。

四、壓力損失

壓力損失與直徑比β和流速（或流量）有關(guān)，通過實驗可得到它們之間的關(guān)系。對于角接標準孔板、法蘭標準孔板、徑距標準孔板、ISA1932噴嘴、長徑噴嘴等標準節(jié)流裝置的壓力損失可以用下式近似計算：

五、標準節(jié)流裝置的誤差

按照“標準”進行節(jié)流裝置的設(shè)計、制造、安裝、使用時，其基本誤差是按照“標準”中提供的計算公式進行計算的。當設(shè)計、制造、安裝、使用等環(huán)節(jié)中有違背“標準”要求時，則將由此產(chǎn)生附加誤差。附加誤差的極性與大小或修正系數(shù)是通過大量實驗確定的。

第四節(jié)標準節(jié)流裝置中有關(guān)系數(shù)的確定和誤差估計

一、流出系數(shù)C及其不確定度

對于一定形式的標準節(jié)流裝置，其流量系數(shù)α和流出系數(shù)C僅與β和雷諾數(shù)ReD有關(guān)。當雷諾數(shù)大到一定值后，α和C就與雷諾數(shù)值無關(guān)，趨于一定值。

1．標準孔板的C值及其不確定度只要所使用管道在節(jié)流件上游側(cè)10D長度內(nèi)的粗糙度不超過前節(jié)所列的限值，C的數(shù)值按下列公式計算。在規(guī)定條件下，流出系數(shù)C主要取決于ReD、β，即C=f(ReD、β)。

對于角接取壓標準孔板：對于法蘭取壓標準孔板：（D：mm，D20≥58.6mm）（D：mm，D20<58.6mm）

對于D和D/2取壓標準孔板：

對于上述三種取壓方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且無誤差．則C值的百分率不確定度δc／C（置信概率為95％）為：

對于β≤0.6，δc／C＝0.6％；對于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、標準噴嘴（ISA1932噴嘴）的C值及其不確定度求取標準噴嘴C值的原始實驗是在相對粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中進行的，但只要噴嘴上游側(cè)至少有10D的長度的管道的粗糙度在前節(jié)規(guī)定的限值之內(nèi)，C值仍然可用。標準噴嘴的流出系數(shù)C由下式給出：

對于角接取壓標準噴嘴（ISA1932噴嘴）：對于長徑噴嘴：若不考慮ReD、β、D的不確定度，并假定管道的Kc／D在規(guī)定的限值之內(nèi)，則ISA1932噴嘴C值的百分率不確定度δc／C（概率為95％）為：對于β≤0.6時，δc／C＝0.8％時；對于β>0.6，δc／C=（2β-0.4）％。

二、標準節(jié)流裝置的流束膨脹系數(shù)ε值及其不確定度

標準節(jié)流裝置的形式確定后，其流束膨脹系數(shù)ε值決定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被測流體的等熵指數(shù)，對于過熱蒸汽可近似取κ＝1.3，對空氣κ=1.4。

為限制流體可壓縮性對流量測量的影響，標準規(guī)定節(jié)流裝置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。

上述三種取壓方式的標準孔板的ε值是由實驗確定的，可用如下的經(jīng)驗公式計算：若β、Δp/p1和κ是已知且無誤差，則標準孔板ε值的百分率不確定度（概率95％）為4%?！?/p>

標準噴嘴的流束膨脹系數(shù)ε值是根據(jù)等熵流動過程直接從理論上推導出來的。由于流動過程不可能是等熵過程，所以存在誤差，從理論上推導出計算標準噴嘴ε的公式如下：其中標準噴嘴ε值的百分率不確定度=2%，置信概率為95％。

±三、標準節(jié)流裝置流量測量不確定度的計算標準節(jié)流裝置的流量測量誤差是用置信概率95％時的不確定度來估計的。質(zhì)量流量測量的不確定度計算公式如下：

（1）流出系數(shù)和流束膨脹系數(shù)的不確定度和：其估算方法上節(jié)已述。

（2）節(jié)流件孔徑的不確定度：一般在按照標準規(guī)定的方法實測的情況下，按置信概率95%估算，最大值估計為±0.07%。（3）管徑的不確定度：在按標準規(guī)定實測的情況下，按置信概率95%估算，的最大值估計為±0.4%，若所用的D為管徑的公稱尺寸，則最大值估計為±2%。

（4）差壓測量值的不確定度：

按變送器和差壓計的精確度等級來估計差壓測量誤差。一般認為差壓計的最大絕對誤差3倍于差壓計測量Δp的標準偏差。根據(jù)差壓計的精確度等級估算出置信概率95%時的值：=（差壓計允許絕對誤差）。（5）密度值的不確定度：

查表計算液體值（含密度表誤差）

第五節(jié)標準節(jié)流裝置的設(shè)計計算

關(guān)于標準節(jié)流裝置的計算一般包括有三類命題：①流量計算；②標準節(jié)流裝置的設(shè)計計算；③最大差壓值的計算（選配差壓計問題）。這三類命題在實際中最常用到的是①、②類命題。一、流量計算流量計算的已知條件為：管道直徑D20、管道材料、管道新舊程度，節(jié)流件前后安裝阻力件情況，節(jié)流件型式、節(jié)流孔徑d20、節(jié)流件材料，流體及工作壓力p、工作溫度t，節(jié)流裝置輸出的差壓值Δp。要求：計算輸出的差壓值Δp對應的流量。

思考：計算的步驟是什么？

要完成已知條件下的流量計算（求Δp對應的流量qm），所依據(jù)的基本公式是流量公式：從流量公式中可以看出，Δp、ρ1、dt、ε、β都是直接或間接已知的，而流出系數(shù)C=f(β，ReD）是未知的（認為測量直管段相對粗糙度不超過規(guī)定的上限值）。因此不能用流量公式直接計算出所需計算的流量值。由于已知雷諾數(shù)ReD的計算公式：同時C=f(β，ReD）

聯(lián)立以上三式，即求解上述代數(shù)方程組，就可以得到問題要求計算的流量qm值。

（－）輔助計算根據(jù)已知條件，通過查表和相應的計算給出解上述方程組所必需的參數(shù)值，這些計算稱為輔助計算。要計算的量值有：工作壓力p1=pe+p0(pe—表壓；p0—大氣壓力)、流體密度ρ1（p，t）(查表)、流體粘度η（p，t）(查表)、管道線膨脹系數(shù)λD（查表）、節(jié)流件線膨脹系數(shù)λd（查表）、流體的等熵指數(shù)κ（過熱蒸汽κ=1.3；空氣κ=1.4）；節(jié)流件工作溫度下管道直徑D和節(jié)流件的節(jié)流孔徑d，即Dt、dt，節(jié)流件直徑比β。（二）迭代計算在計算流體流量時，由于流量公式中的未知數(shù)不只一個，且未知數(shù)之間有一定的關(guān)系，所以通常需用迭代算法求解，迭代計算中的一個不變量：迭代計算中的變量：

迭代方程為：故迭代計算流程如圖所示。

二、標準節(jié)流裝置的設(shè)計計算

這類命題是根據(jù)用戶提出的已知條件以及限制要求來設(shè)計標準節(jié)流裝置。

已知條件：被測流體及其工作壓力p1、工作溫度t、最大流量qmmax、常用流量qmch、最小流量qmmin、管道內(nèi)徑D20，管道材料、新舊程度、節(jié)流件前后管道及阻力件的情況。

限制要求：最小直管段L＜Lx（實際直管段長度）；壓力損失δpmax≤δpx。

要求設(shè)計計算：

（1）選定節(jié)流件的形式（類型、取壓方式）；（2）選定差壓計；（3）計算C、ε、β、d20；（4）計算所需最小直管段l0、l1、l2，并驗算L≤Lx（L=l0十l1＋l2）；（5）計算最大壓損δpmax，并驗算δpmax≤δpx；（6）計算基本誤差對于該命題根據(jù)已知條件完成設(shè)計計算，其結(jié)果不是唯一的，即滿足設(shè)計已知條件可以有多種結(jié)果。

從物理意義上看很容易理解，在被測流體的管道上安裝的節(jié)流件，其β值是可大可小的。在一定流量下，當β小時，節(jié)流裝置輸出的差壓值大；當β大時，輸出的差壓值小。由于在已知條件中用戶提出了限制要求（L≤Lx，δpmax≤δpx），所以這種設(shè)計結(jié)果的多樣性也受到了一定的限制，即是滿足限制要求下的多種設(shè)計結(jié)果。明確:設(shè)計計算是在常用流量qmch下進行的。

（－）選定節(jié)流件的型式

●在相同情況下，標準孔板的壓力損失大于標準噴嘴、文丘利管等。

●對于取壓方式，根據(jù)“標準”中提供的方式確定。

●常用的材料為不銹鋼。

●目前在火力發(fā)電廠常用角接標準孔板測量鍋爐給水流量，用角接標準噴嘴（ISA1932）或徑距取壓長徑噴嘴測量過熱蒸汽流量。（二）選定差壓計

選定差壓計主要是確定如下內(nèi)容：選定差壓計的型號；確定差壓計的滿刻度流量q*mmax以及對應的最大差壓Δpmax。

●差壓計型號的選定主要取決于現(xiàn)有的差壓計產(chǎn)品。

●

q*mmax的確定是根據(jù)用戶給出的最大流量qmmax向上圓整到規(guī)定系列值中的一個鄰近值。規(guī)定的流量計滿刻度系列值為

qk＝a×10n其中a=1，1.2，1.6，2，2.5，3，4，5，6，8；n=0或任意正整數(shù)或負整數(shù)。

例如qmmax=230t/h圓整到q*mmax=250t/h。

●從用戶提出的限制要求出發(fā)，確定出Δpmax的取值范圍，在Δp的取值范圍內(nèi)定出Δpmax適當?shù)臄?shù)值。

（1）滿足L≤Lx時的Δpmax取值范圍的確定

具體方法:由l0=f（β=0.7，上游第2阻力件形式）確定出l0值。取l2=5D，則l1=lx一l0一l2，由l1=f（β，上游第1阻力件形式）確定出β*。β*是最小直管段L=Lx時對應的直徑比。根據(jù)最小直管段長度L與β的關(guān)系可知，要滿足L≤Lx則必須使得設(shè)計確定的β滿足β≤β*。通過以下計算可確定Δpmax的取值范圍。

C=f（β*，ReDch）

（令ε=1）而

（令ε=1）顯然應有Δp1≤Δpmax（2）滿足δpmax≤δpx時Δpmax取值范圍的確定要滿足用戶壓力損失限制的要求時，則應有≤δpx(標準孔板)

≤δpx(標準噴嘴)即Δp2=2δpx(標準孔板)

Δp2=3δpx(標準噴嘴)由此可知Δpmax的取值要求為：Δpmax≤Δp2

（3）滿足最小雷諾數(shù)推薦值Re*Dmin時的Δpmax取值范圍的確定

令ReDmin=Re*Dmin（β*），估算相應的β*值。對于角接標準孔板來說，待設(shè)計的β值應有β≤β*；對于標準噴嘴來說，在0.35≤β＜0.6范圍內(nèi)應有β≤β*；在0.6≤β≤0.75范圍內(nèi)應有β≥β*，在0.75≤β≤0.8范圍內(nèi)應有β＜β*。通過下面計算可確定Δpmax的取值范圍。C=f（β*，ReDch）（令ε=1）

而（令ε=1）則應有Δp3≤Δpmax（角接取壓標準孔板）

Δp3≤Δpmax（0.35≤β≤0.6，角接取壓標準噴嘴）Δp3≥Δpmax（0.6＜β≤0.75，角接取壓標準噴嘴）Δp3≤Δpmax（0.75＜β≤0.8