摘要:介紹了孔板差壓式流量計(jì)測量水蒸氣的工作原理,對導(dǎo)致孔板差壓式流量計(jì)產(chǎn)生測量誤差的各種內(nèi)、外因素進(jìn)行了分析,并闡述了相應(yīng)的校正補(bǔ)償方法，為今后孔板差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)和使用提供了借鑒。
目前,國內(nèi)外用于水蒸氣流量測量的儀表主要包括:孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和彎管流量計(jì)等儀表。其中,孔板差壓式流量計(jì)是國內(nèi)外得以研究、試驗(yàn)數(shù)據(jù)完善、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、標(biāo)準(zhǔn)化程度的流量計(jì),因其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、性能比較穩(wěn)定、使用壽命較長且已標(biāo)準(zhǔn)化,因而在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。孔板流量計(jì)由節(jié)流裝置、一定長度的直管段、引壓管、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器和流量計(jì)算機(jī)等組成。在使用過程中,盡可能地減小流量測量誤差,降低水蒸氣人為損耗,對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營具有重要的意義。
1孔板工作原理及誤差補(bǔ)償方法
1.1孔板式流計(jì)的工作原理
孔板式流量計(jì)采用差壓式測量方法對流量進(jìn)行測量,即在管道內(nèi)裝入節(jié)流元件一孔板。當(dāng)水蒸氣流過孔板時(shí),流體速度增大,壓力減小，于是在孔板的前后產(chǎn)生差壓,利用具有-定設(shè)計(jì)尺寸的孔板測量水蒸氣流量,在保證孔板前后有足夠的直管段等條件下,孔板前后的差壓將隨流量的變化而變化,且兩者具有確定的關(guān)系,因此可以通過測量差壓得到水蒸氣的流量「。根據(jù)國標(biāo)GB/T26241993,對于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,差壓△P與流量qm的函數(shù)關(guān)系為:
式中:qm為質(zhì)量流量,kg/s;C為流出系數(shù);D為管道內(nèi)徑,m;ε為節(jié)流件正端取壓口平面上的氣體膨脹系數(shù);d為工作條件下節(jié)流件的開孔直徑,m;ρ為節(jié)流件人口端流體密度,kg/m³.
1.2流出系數(shù)C的補(bǔ)償
流出系數(shù)C是表征孔板節(jié)流裝置特性的主要參數(shù),是雷諾數(shù)Re和β的函數(shù),它是一個(gè)隨流量變化的量,其值隨Re的增大而減小,當(dāng)Re大于一定值趨向無窮大時(shí),C趨向于常數(shù)Ck,而孔徑比β越大,C的變化幅度也越大,使C趨向于常數(shù)Ck的Re也越大,C與β和Re之間的定量關(guān)系為:
對于給定的標(biāo)準(zhǔn)孔板,當(dāng)β為常數(shù)時(shí),C僅是Re的函數(shù)C=f(Re)。在公式(1)中,將C用公式(2)而不是一個(gè)常數(shù)來代替,可提高計(jì)量的精度。
1.3水蒸氣膨脹系數(shù)ε的補(bǔ)償
差壓式流量計(jì)在用來測氣體和蒸氣流量時(shí),流體流過節(jié)流裝置在節(jié)流件兩邊都要產(chǎn)生--定的差壓,在節(jié)流件的下游靜壓降低,將出現(xiàn)流束膨脹，流束的這種膨脹使得節(jié)流裝置的輸出(差壓)一輸人(流量)關(guān)系同不可壓縮流體之間的偏差。如果不對這種偏差進(jìn)行校正,將會(huì)導(dǎo)致流量示值偏高千分之幾到百分之幾,尤其是流量在較大范圍內(nèi)變化時(shí),產(chǎn)生的誤差會(huì)更大,因此更有必要對其進(jìn)行修正。
1.4孔板流計(jì)變更量t程后的修正
盡管改變差壓變送器的差壓范圍是非常容易的事,但不能只對差壓范圍做調(diào)整就萬事大吉。這是因?yàn)榭装辶髁坑?jì)量程變更后，管道中的常用流速等參數(shù)將發(fā)生變化,流出系數(shù)也相應(yīng)有所變化，因此需從已知節(jié)流裝置數(shù)據(jù)(從節(jié)流裝置計(jì)算書查得)和其他有關(guān)流量數(shù)據(jù)(如:變更后的流量上限及常用流量)計(jì)算出新的差壓上限。實(shí)踐證明,若量程縮小后,C和ε均增大,相應(yīng)的質(zhì)量流量會(huì)偏大。
1.5密度ρ的補(bǔ)償
在其他參數(shù)不變的情況下,qm與ρ之間的關(guān)系為:qm≈k,√ρ。可以看出,水蒸氣的流量與其密度的平方根成正比關(guān)系。水蒸氣是可壓縮性氣體，當(dāng)其壓力、溫度變化時(shí),其密度將發(fā)生明顯變化,這將引起流量很大的誤差。實(shí)際流體狀態(tài)(壓力、溫度)與流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)的狀態(tài)(壓力、溫度)偏離造成的相對誤差可由公式(3)表示:
假如設(shè)計(jì)孔板流量計(jì)時(shí)是按照1MPa和285℃所對應(yīng)的過熱水蒸氣密度ρ=4.374kg/m³設(shè)計(jì)的，則密度的變化造成的測量誤差可能很大，當(dāng)壓力大且溫度低時(shí),測量值偏大;當(dāng)壓力低且溫度高時(shí),測量值偏小。水蒸氣的實(shí)際狀態(tài)偏離孔板實(shí)際狀態(tài)越嚴(yán)重,所引起的誤差越大。要補(bǔ)償密度變化所引起的這種誤差,就不能將公式(1)中的ρ以設(shè)計(jì)工況下的密度來代入,需要將ρ看作壓力和溫度的函數(shù),即ρ=f(P,t)。這也就是一般智能流量積算儀均要對過熱蒸汽進(jìn)行壓力溫度補(bǔ)償?shù)脑颉?
1.6孔板內(nèi)徑d和管徑D的誤差補(bǔ)償
測量水蒸氣流量時(shí)，如果設(shè)計(jì)工況為200℃,孔板內(nèi)徑為d,則孔板內(nèi)徑在實(shí)際工作狀態(tài)下的修正公式為：
實(shí)際上d和D偏離設(shè)計(jì)值造成的后果就是流量測量系統(tǒng)的滿度值發(fā)生了變化,如果將d和D的實(shí)際值測量出來,代人公式計(jì)算出與此實(shí)際值相對應(yīng)的流量滿度值,然后用新的滿度值代替原設(shè)計(jì)值,置人流量顯示儀表，則系統(tǒng)運(yùn)行后,尺寸誤差對測量系統(tǒng)的影響就能得到完全的校正，這也就是每臺(tái)流量計(jì)在投人使用前進(jìn)行修正計(jì)算的主要工作。
2常見誤差原因分析
2.1實(shí)際工作狀態(tài)引起的誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板是按照特定的已知條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但在工作過程中,被測量介質(zhì)的各種參數(shù)(如溫度、密度、壓力、黏度等)與標(biāo)準(zhǔn)孔板的額定數(shù)值有所不同。如在常溫附近時(shí),若被測量介質(zhì)為氣體,溫度每變化10℃,氣體的密度則變化3%左右;在1個(gè)大氣壓下，被測氣體壓力每變化10Pa,密度則變化10%左右。所以在用標(biāo)準(zhǔn)孔板測量氣體時(shí),必須考慮氣體溫度和壓力的變化，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?
2.2安裝不正確引起的誤差
對于標(biāo)準(zhǔn)孔板,為了保證被測量介質(zhì)流量的精度,標(biāo)準(zhǔn)孔板一定要按規(guī)定要求進(jìn)行正確安裝,否則將會(huì)產(chǎn)生一定的測量誤差。
(1)孔板的銳面應(yīng)迎著流體的方向,以確保孔板的方向安裝正確。
(2)孔板的前端面與管段軸線應(yīng)保證垂直,最大傾斜度應(yīng)小于1度。
(3)若工作環(huán)境的測量精度要求較高,為了提高測量的精度，建議標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的直管段應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)直管段,然后再與主管道聯(lián)接。
(4)新安裝的管道在安裝孔板前,應(yīng)對管道進(jìn)行沖洗和掃線操作,從而避免掃線時(shí)損傷孔板的銳面,且管道內(nèi)的雜物在孔板前后堆積也會(huì)降低測量的精度。
(5)孔板在使用過程中,由于受被測量介質(zhì)溫度的影響,其自身會(huì)產(chǎn)生線膨脹,為了保證其端面的平面度和對軸線垂直度,在安裝過程中,要考慮其工作過程時(shí)的自由伸縮性。
(6)孔板的密封墊片不能伸人管道中,應(yīng)盡量薄,一般厚度應(yīng)小于0.03D。
2.3孔板入口邊緣磨損引起的誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板在使用過程中，被測量介質(zhì)對孔板的沖刷腐蝕往往會(huì)造成測量裝置的幾何形狀和尺寸產(chǎn)生不同程度的變化。長期使用后,孔板邊緣的銳角會(huì)變鈍,在相同體積的被測量介質(zhì)經(jīng)過時(shí)所產(chǎn)生的壓差△p將變小,標(biāo)準(zhǔn)孔板的示值會(huì)偏低,從而引起測量誤差,為了保證測量的精度，應(yīng)定期對孔板進(jìn)行校驗(yàn)、清洗，以減小對孔板的沖蝕和污物堆積。
2.4引壓管路安裝不當(dāng)引起的測量誤差
引壓管路應(yīng)垂直或傾斜安裝,其傾斜度應(yīng)大于1;12.在引壓管路的安裝過程中,應(yīng)保證彎曲處圓滑過渡,彎曲半徑應(yīng)大于引壓管外徑的5倍，在測量不同的介質(zhì)時(shí),引壓管的長度和內(nèi)徑要符合安裝規(guī)定的要求。
2.5引壓管路堵塞引起的測量誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板在使用過程中，要保證其引壓管暢通,避免堵塞,放空閥、三閥組、腰式法蘭及連接件的密封性能應(yīng)保證處于良好狀態(tài),不能有泄漏。為了減少此類誤差，平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管理,提高操作人員的素質(zhì),在使用過程中，操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護(hù)和保養(yǎng)工作,延長其使用壽命，從而減小測量誤差的產(chǎn)生。
3結(jié)語
使用孔板差壓式流量計(jì)測量水蒸氣的流量涉及一系列的問題，包括檢測裝置、顯示裝置、前后直管段以及輔助設(shè)備等,要保證水蒸氣流量測量的精確度,必須做到合理選型,正確安裝與調(diào)試，及時(shí)維護(hù)與保養(yǎng),并對測量部分可能引人的誤差進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償和校正。因?yàn)樵谑褂眠^程中,當(dāng)流量和壓力波動(dòng)較大時(shí),從流量系數(shù)與流束膨脹系數(shù)所引人的系統(tǒng)誤差較大，另外孔板長期運(yùn)行后銳角會(huì)變鈍、幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)的測量精度就會(huì)下降,有時(shí)甚至無法進(jìn)行正常測量,所以平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管理,盡量減小測量誤差的產(chǎn)生。
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