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详细说明大量程比流量儀表的计算选型思路和影响参数

发布日期:2022-02-21 17:19:05  来源:  作者:  浏览次数:
【導讀】:通过分析差压流量計和渦街流量計的测量原理,指出了影响量程比的关键参数。结合具体流量計的计算过程,详细说明了大量程比流量儀表的计算选型思路,并对大量程比流量儀表测量修正方案进行了说明,同时给出了差压流量計量程比扩展方案。......

 摘要:通过分析差压流量計和渦街流量计的测量原理,指出了影响量程比的关键参数。结合具体流量計的计算过程,详细说明了大量程比流量儀表的计算选型思路,并对大量程比流量儀表测量修正方案进行了说明,同时给出了差压流量計量程比扩展方案。

 
在工程实践过程中,通常把量程比(又称为范围度)理解为在满足计量性能要求的情况下所能测量的非常大流量值与非常小流量值的比值,这个理解与GB/T25922—2010《封闭管道中流体流量的测量用安装在充满流体的圆形截面管道中的渦街流量計测量流量的方法》中“范围度”的定义一致,也与JJF1004—2004《流量計量名词术语及定义》和GB/T17611—1998《封闭管道中流体流量的测量术语和符号》中定义“非常小流量”和“非常大流量”的前提对应,即满足计量性能要求或示值误差不超过非常大允许误差。量程比为初步确定流量計类型提供了依据,常见流量儀表推荐量程比见表1所列。
流量儀表推荐量程比
1、流量計工艺参数
某项目粉煤锁斗工艺介质为干粉煤,输送气体介质为二氧化碳,標准状态下的密度为1.96kg·m-3,管道公称通径为DN150,锁斗的操作压力变化范围为0.11~4.91MPa允许压损为20kPa,操作温度为80℃。粉煤锁斗升压采用流量計的具体工艺操作参数见表2所列。
粉煤锁斗升压流量計工艺参数
根据上述参数,標准状态下量程比为57∶1,工作状态下量程比为2.1∶1。如果按照流量計推荐量程比选型,在標准状态下仅有科里奥利质量流量計和超声波流量計可用;在工作状态下,所有类型流量計均可用。量程比的两种不同的理解导致了不同的选型结果。本文针对表2涉及的工况,讨论渦街流量計和差压流量計的选型。
 
2渦街流量計
2.1測量原理
渦街流量計利用卡門渦街原理,在流體中安放旋渦發生體,流體在旋渦發生體下遊兩側交替地分離釋放出兩列有規律的交錯排列的旋渦,在一定雷諾數範圍內,該旋渦的頻率與旋渦發生體的幾何尺寸、管道的幾何尺寸有關,旋渦的頻率與流量成正比,該頻率可由探頭檢出。計算公式如式(1)所示。
渦街流量計频率公式
式中:b———阻流件的宽度,m;u-———流经流量計的流体平均流速,m/s;f———旋涡的频率,Hz;Sr———斯特罗哈尔数(Strouhalnumber),量纲一的量。
 
由式(1)可知,f与u-成线性关系,即渦街流量計的量程比与流经流量計的操作工况下的流量成线性关系,与标况流量无关。渦街流量計的非常小可测流量取决于雷诺数和传感器灵敏度,非常大可测流量取决于制造厂家允许的非常大流速。表2中,流量計操作工况下的的量程比为2.1∶1,处于渦街流量計的推荐量程比范围5∶1~40:1内,初步判定可以选用渦街流量計。
 
2.2選型計算
因表2中的两种工况的操作压力相差比较大,不能采用常规思路进行计算。渦街流量計(FT001)调整后的计算思路为:按照非常大流量工况确定初步的流量計口径;核算非常小流量工况是否在确定口径的渦街流量計能够保证精度的测量范围内。
 
对FT001非常大流量工况进行计算。根据计算结果,该流量計口径初步确定为DN150。在非常大流量工况下,其满足1%精度的標准状态下测量范围6251.438~166705.041m3/h。
 
對FT001非常小流量工況進行核算。在非常小流量工況下,其滿足1%精度的標准狀態下測量範圍275.28~7029.473m3/h。FT001標准狀態下非常小流量400m3/h在測量範圍內。FT001的口徑確定爲DN150時,能夠同時滿足非常大流量和非常小流量兩種工況。
 
3差压流量計
3.1測量原理
差压流量計是以伯努利方程和流动连续性方程为依据,当被测介质流经差压件时,在其两侧产生差压,通过测量差压确定流体的流量。差压流量計主要由:节流式或非节流式差压件、差压變送器和流量積算儀组成。质量流量与差压的计算公式如式(2)所示,体积流量与差压的计算公式如式(3)所示:
体积流量与差压的计算公式如式(3)
式中:qm———质量流量,kg/s;qV0———流经流量計的流体標准状态下的体积流量,m3/s;ρ0———標准状态下的密度,kg/m3;ρ1———测定体积流量时的温度和压力下的流体密度,kg/m3;C———流出系数;β———直径比,d/D;ε———膨胀系数;Δp———差压,Pa;d———工作条件下一次装置节流孔或喉部的直径,mm;D———工作条件下上游管道内径或经典文丘里管上游直径,mm。
 
對于已經確定的節流裝置,C,d,β,ε爲確定值,公式(3)可轉換爲:
节流装置关系式
 
由上述分析可以看出,標准孔板作爲一種節流式差壓件,要保證在某個精度範圍內測量流量就需滿足2個條件:
 
1)K爲常數,保證qV0與Δp成正比,這就要求被測介質的非常小雷諾數大于GB/T2624.2—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量第2部分:孔板》[1]中要求允許的極限雷諾數,以保證C爲常數;
 
2)要能测量出Δp,并且保证要求的精度。標准孔板可测的非常大流量是刻度流量,可测的非常小流量取决于標准的极限非常小雷诺数。標准孔板的极限非常小雷诺数与取压方式、开孔直径比有关。对于法兰取压的標准孔板,管道雷诺数ReD不小于5000且不小于170×β2×D。
 
標准孔板兩種工況下的差壓比值可由公式(3)計算,兩種工況的差壓比值爲20220221172444.jpg20220221172525.jpg该值大于当前主流智能差压變送器的量程比100∶1,智能差压變送器测量下限限制了流量测量准确性。標准孔板(FE001)可配置A,B2台差压變送器,采用差压/流量接力的方法进行测量。差压變送器A检测大量程差压信号,差压變送器B检测小量程差压信号,2台變送器同时工作,信号送入流量計算仪或用户系统中使其相互协调工作。在小流量时采用低量程差压變送器的输出作为测量数据;当流量超过低量程范围时,由系统切换采用差压變送器A输出作为测量数据,如此就用2台變送器接力方法实现了宽量程的流量测量。
 
3.2選型計算
標准孔板和渦街流量計采用同样的计算思路,首先按照非常大流量工况初定標准孔板的开孔直径,然后核算确定开孔直径的標准孔板在非常小流量工况下的测量范围是否包括非常小流量。FE001非常大流量工况的计算结果:標准状态下的刻度流量为28000m3/h,对应的刻度差压为45kPa,β为0.67803,管道极限非常小雷诺数为11673,对应的非常小流量为47.95m3/h,量程比约为580∶1,標准状态下的非常大流量25559m3/h对应的差压值为37.447kPa。
 
FE001非常小流量工况的计算结果:標准状态下刻度流量为4949.45m3/h,对应的刻度差压为45KPa,β为0.67803,管道极限非常小雷诺数为11673,对应標准状态下非常小流量为43.849m3/h,量程比约为112∶1,標准状态下非常小流量448m3/h对应的差压值为0.309kPa。
 
FE001在非常大流量和非常小流量两种工况下的不确定度(不考虑差压變送器)不大于0.87%,其量程比远大于其推荐量程比3∶1,但因標准状态下非常小流量448m3/h对应的差压太小,仅有0.309kPa,其对应的不确定度(考虑差压變送器)已升高至5%,所以差压流量計的量程比一般不受標准孔板影响,主要受差压變送器测量下限的限制。
 
4測量修正
因粉煤锁斗升压流量計两种工况中压力变化比较大,为提高仪表测量精度,需要对测量结果进行修正。
 
4.1渦街流量計
测量气体时,渦街流量計工作状态下测量修正计算如式(5)所示:
渦街流量計工作状态下测量修正计算公式
式中:qVf———工作状态下的体积流量,m3/h;qVn———標准状态下的体积流量,m3/h;t,p,Z———工作状态下的的温度、压力、气体压缩系数;tn,pn,Zn———標准状态下的温度、压力、气体压缩系数。因两种工况中温度不变,渦街流量計测量结果仅考虑压力和气体压缩系数的修正系数即可。
 
4.2差压流量計
因粉煤锁斗升压流量計两种工况中温度不变,而压力改变时,同时影响ρ,Z,C,ε,差压流量計工作状态下测量修正计算如式(6)所示:
差压流 量计工作状态下测量修正计算
式中:qV———體積流量(設計值),m3/h;qV1———體積流量(實際值),m3/h;ρ———介質密度(設計值),kg/m3;ρx———介質密度(實際值),kg/m3;p1———壓力(設計值),MPa;p2———壓力(實際值),MPa;Z0,ε0,C0———工作狀態下的氣體壓縮
系數、膨脹系數、流出系數的設計值;Z1,ε1,C1———工作狀態下的氣體壓縮系數,膨脹系數,流出系數的實際值。
 
4.3實現方式
测量修正一般有以下两种实现方式。方式一:当现场仪表有内置压力时,仪表根据所测压力由仪表内部存储的数据库自动计算体积流量和质量流量。方式二:采用智能流量計算仪或DCS。将现场仪表所测工况体积流量和温度及压力變送器所测信号传到流量計算仪或DCS,由智能流量計算仪或DCS进行补偿运算,可以输出质量流量、標准体积流量等。DCS一般完成比较简单的补偿计算,智能流量計算仪完成比较复杂且计算速度要求比较高的补偿计算。渦街流量計一般采用方式一实现测量修正,其仪表表头指示和DCS指示能够保持一致。標准孔板一般采用方式二实现测量修正,但差压變送器测量修正前的指示与智能流量計算仪或DCS相差较大,没有参考意义。
 
5結束語
利用量程比初步确定流量計类型时,渦街流量計以操作流量为主,差压流量計以差压變送器量程比为主。对于大量程比的流量儀表选型,应仔细分析常用流量計的测量原理并识别影响量程比的关键参数。当常用流量計的量程比不能满足要求时,应考虑是否存在扩展量程比的成熟方案。

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