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孔板流量计可膨胀系数测试验证
发布日期:2018/3/10 9:09:13
 孔板流量计是将标准孔板不多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器及压力变送器)配套组成的高量程比差压流量装置,目前在我国天然气流量测量中,孔板流量计仍占主导地位,但其占有率逐年有下降,涡轮、智能旋进漩涡、罗茨流量计数量逐年上升。主要原因是孔板怕脏、怕磨损、维护工作量大;安装条件苛刻,成本高;流量比小,压损大。另外,节流装置采用阀式结构形式(俗称高级孔板阀),二次仪表采用高性能智能变送器和工控型计算机配置,其价格相当昂贵。但孔板流量计在使用中无需周期实流标定的成熟程度是任何其他流量计无法比拟的。这对使用者而言是最具经济、实用价值的优点。随着我国仪表技术的发展,新型的与孔板工作原理相同的差压流量计也纷纷出现,比如内锥流量计等都在膨胀系数的测试上还存在问题,国内在这些节流装置膨胀系数ε还没有得到一个经验公式,但是随着天然气计量的发展要求,它们的适用性已经显而易见,所以,在孔板的基础上做了大量的试验,总结了孔板的两个测试方法,而且对两种测试方法产生的测试结果进行了对比,希望能对以后
差压节流装置的膨胀系数ε测试工作能带来方便。
从公式 用气体标准装置测试节流装置,只能得到流出系数和可膨胀系数的乘积C,如何将ε分离出来,可仿照孔板的测试经验,有两种方法:
一、相似原理分离法
用水流量标准装置测试节流装置,得到不同雷诺数对应的流出系数C,锥形节流装置的雷诺数
式中:qvh为小时体积流量,P1由水流量标准装置给出;为标定条件下的水密度;μ为水的粘度;D1、Ф1分别为标定条件下测量管内径和锥体直径。
将标定得到的为Rez自变量,流出系数为变量,回归计算得到的拟合公式(2)计算值与标定值相差≤0.1%
C=f(Rez)
用气流量标准装置测试节流装置,得到不同雷诺数Rez对应的流出系数与可膨胀系数的乘积C1ε1
根据两个相似原理,对同一个节流装置雷诺数相同,则流出系数相等。这样用Rezi代入水标得到的流出系数公式计算出Ci,进而分离出
以气体流量标定得到的 为自变量,可膨胀系数εi为变量,回归计算得到经验公式
用多个(至少5个)不同的β值的节流装置,重复上述操作,得到不同的直径比βi对应的斜率mi,在以βi为自变量,统计回归计算得到m的函数式
m=f(β)
对于不同结构形式的节流装置,气体的膨胀途径、方式不同,只有测量管轴向的膨胀才对流量产生影响,而测量管径向的膨胀对流量不做任何贡献。气体膨胀总是力图向各个方向进行,只是节流装置结构不同,膨胀条件各异,引起不同的效果。对文丘里喷嘴等轮廓型节流装置,在节流前后气体流束始终充满了过流截面,没有径向膨胀的空间,只有轴向一维膨胀,所以膨胀系数最小,对流量的修正最大。孔板节流装置在节流前后流束都与测量管内壁剥离,给气体径向膨胀留出空间,所以气体流经孔板节流装置的前后既有轴向膨胀,又有径向膨胀,且径向膨胀效应最强,轴向膨胀效应最弱,导致可膨胀系数最大,对流量的修正最小,对于不同差压节流装置可以根据内部结构导致流体膨胀的轴向或径向来分析预估它的可膨胀系数的范围。
二、回归计算分离法
(1)用气体流量计量标准装置测试节流装置,通常用正压或负压音速喷嘴为标准,若节流装置安装在音速喷嘴之后,可得到相同雷诺数对应的固定流出系数与ε的乘积Cεi,:若节流装置安装在音速喷嘴之前则只能得到不同雷诺数Rez对应的流出系数与膨胀系数的乘积Ciεi。目前国内负压空气喷嘴装置都是喷嘴在前的安装方式。
(2)借鉴孔板节流装置ε实验研究成果,即ε与管径、雷诺数无关,ε只取决于直径比β、前后压力P2/P1比和等熵指数K。且ε与成线性函数关系,其格式为斜率m为直径比β的函数。当P1=P2时没有压差气体密度不变,ε=1.当雷诺数较高时其流出系数趋于稳定,流出系数Ci变化小,且值Cimj为定值。得流出系数与可膨胀系数的乘积C与亦成线性函数关系:
式中:△P=P1-P2儿为压差,用高精度智能差压变送器测量得到;P2为节流元件下游绝对静压力;P1为节流元件上游绝对静压力;i为测量点数;j为不同β值的节流装置台数。
因为差压△P相对压力P1、P2要小,为了提高前后压力比的准确度,采用直接测量差压
△P和压力P1,计算得到
(3)用测试得到的为自变量,Ciεi为变量,线性回归计算得到线性公式,线性相关系数≥0.99否则应查找原因,比如安装、压力、差压、温度的测量操作以及流量标准装置系统等测试实验的每一个环节。特别是采用负压音速喷嘴为标准装置时,一定要确保安装连接严密无泄漏,因为负压吸入空气,验漏很空难,只有靠安装工艺保证,另外一定要保证装置进入临界流状态。
(4)用不同值β的节流装置重复上述3步骤,得到βj对应的直线斜率mj。
(5)以βj为自变量,mj为变量回归计算得到mj与βj的函数关系式,公式计算值与测试值m相对误差≤0.1%。
三、可膨胀系数ε两种测试法的验证
因为孔板的C、ε已经标准化,其C的不确定度≤0.6%左右,ε的不确定度为验证的目的在于了解流量标准装置的性能及的两种分离法的差压。于是对同一台角接环室孔板在兰州石化仪表厂的静态称重法水流量装置进行标定及在成都华阳空气负压音速喷嘴流量装置进行标定。孔板节流装置参数为:D20=5Omm,d20=25.00mm。
孔板流量计是一种从设计,制造到安装使用要求很严格的仪表,任何一个环节的失误都会产生很大的误差,因此,如果严格遵循标准规定,它的精确测量是可保证的。