發(fā)生爐煤氣流量計的工作原理與溫度壓力測點的設(shè)計

摘要：針對流量計在測量氣體和蒸汽流量時需對溫度、壓力補償?shù)膯栴}，根據(jù)各流量計的測量原理不同，選擇合適的測溫點和測壓點位置對測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。分析了幾種流量計溫度、壓力補償?shù)哪康囊约皽囟?、壓力參?shù)的測量要求，提出了測溫口、測壓口開口位置的合理選擇。提供了利用焦耳－湯姆遜系數(shù)計算上下游溫差的實例。
不同原理的流量計，流體溫度和壓力的變化對測量結(jié)果的影響各不相同，因此在測得流體的溫度和壓力后，要按規(guī)定的關(guān)系式進行補償。流體在管道內(nèi)流動，由于流量傳感器、各種阻流件的影響，在管道的不同部位測得的溫度和壓力值也會有很大差異，因此用作流量測量溫度壓力補償?shù)臏y量點的位置也有明確規(guī)定，不能隨意確定。
下面以幾種典型流量計為例，論述流量測量中溫度壓力檢測點設(shè)計中的有關(guān)問題。
１發(fā)生爐煤氣流量計溫度壓力測點的設(shè)計
１．１發(fā)生爐煤氣流量計工作原理
在流體流動的管道中設(shè)置１個旋渦發(fā)生體（阻流件），于是在發(fā)生體下游就會交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，該旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流速成正比關(guān)系。由于旋渦流量傳感器的流通截面積是１個常數(shù)，因此旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流體體積流量成正比，如式（１）所示：

式中：ｑＶｆ--旋渦發(fā)生體出口的工況體積流量，ｍ３／ｈ；ｆ--旋渦頻率，Ｐ／ｓ；Ｋｔ--工作狀態(tài)下流量系數(shù)，１／ｍ３。
１．２溫度壓力補償?shù)哪康?br /> １．２．１氣體流量測量的溫度壓力補償
在氣體流量測量中，測得工作狀態(tài)體積流量不是*終目的，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量才是*終目標(biāo)。由工作狀態(tài)體積流量到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量的換算，一般在流量演算器中完成，其依據(jù)如式（２）：

式中：ｑＶｆ--工況條件下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｑＶｎ--標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，ｍ３／ｈ；ｐｆ，ｐｎ--工作狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體絕對靜壓，ＭＰａ，ｐｎ＝０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ，Ｔｎ--工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體熱力學(xué)溫度，Ｋ，Ｔｎ＝２９３．１５Ｋ；Ｚｆ，Ｚｎ--工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)。
在式（２）中，Ｚｆ和Ｚｎ一般由流量演算器按設(shè)計好的程序自動計算得到，ｑＶｆ由式（１）計算得到，而ｐｆ和Ｔｆ則必須經(jīng)實測得到。
１．２．２蒸汽流量測量的溫度壓力補償
在蒸汽流量測量中，雖然也有溫度壓力補償，但補償?shù)囊饬x與式（２）完全不同。用發(fā)生爐煤氣流量計測量蒸汽流量的系統(tǒng)中，測量的目的是得到蒸汽質(zhì)量流量值，如式（３）所示：

式中：ｑｍ--質(zhì)量流量，ｋｇ／ｈ；ρｆ--工況條件下的旋渦發(fā)生體出口蒸汽密度，ｋｇ／ｍ３，可通過查蒸汽密度表得到。１）對于過熱蒸汽，可由流量演算器按式（４）自動查蒸汽密度表得到：ρｆ＝ｆ（ｐｆ，ｔｆ）（４）式中：ｔｆ--工況條件下的蒸汽溫度，℃。
２）對于飽和蒸汽，可由流量演算器按式（５）和式（６）自動查蒸汽密度表得到：
ρｆ＝ｆ（ｐｆ）（５）
ρｆ＝ｆ（ｔｆ）（６）
由于蒸汽的狀態(tài)隨溫度壓力參數(shù)而變化，因此有些蒸汽流量計安裝地點的蒸汽狀態(tài)難以確定，有時處于過熱狀態(tài)，有時處于飽和狀態(tài)。白天管道內(nèi)流速高，處于過熱狀態(tài)；夜間管道內(nèi)流速低，進入飽和狀態(tài)。這時，應(yīng)對其溫度壓力都進行測量，由流量演算器自動判斷，如果處于過熱狀態(tài)，則儀表自動轉(zhuǎn)向根據(jù)式（４）查過熱蒸汽密度表；如果已進入飽和區(qū)間，則儀表自動轉(zhuǎn)向按式（５）查飽和蒸汽密度表。
利用蒸汽的溫度壓力參數(shù)自動判斷蒸汽處于過熱狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，原理如圖１所示。關(guān)鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線的下方還是上方，如果落在下方，則為過熱狀態(tài)；如果落在上方，則為飽和狀態(tài)。

在這種情況下，一般壓力測量精確度高，查表得到的密度值的精確度也比較高，因此通常采用式（５）求取密度，式（６）一般不采用。
１．３溫度壓力測量點位置的選取
氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過渦街流量傳感器時，都會產(chǎn)生一定的壓降。因此，在管道上不同位置開口測流體的絕對靜壓，得到的結(jié)果也不同。在旋渦發(fā)生體上游處，靜壓*高；在旋渦發(fā)生體流速*高處，靜壓*低，再往下游，靜壓會有少許恢復(fù)。
旋渦發(fā)生體前后的永久性壓降，橫河公司提供了計算公式如式（７）所示：△ｐ＝１．０８ρｆｖ２（７）式中：△ｐ--旋渦發(fā)生體前后壓降，Ｐａ；ｖ--介質(zhì)流速，ｍ／ｓ。
以橫河公司ＹＦ１００系列旋渦流量計為例，不同型號流量儀用于溫度壓力補償?shù)臏囟葔毫y量點的安裝位置有不同的要求。壓力測點到旋渦發(fā)生體的上限距離與下限距離有很大差異。從３．５Ｄ～５．５Ｄ到３．５Ｄ～７．５Ｄ，使設(shè)計人員犯難，因此研究該距離對儀表的準(zhǔn)確安裝有重要意義。
仔細研究橫河渦街產(chǎn)品的發(fā)展歷史，在＊ＣＤ型儀表發(fā)展階段，發(fā)生爐煤氣流量計*小通徑只能做到ＤＮ２５，對于ＤＮ２５渦街產(chǎn)品，５．５Ｄ即為１３８ｍｍ，在法蘭下游的管道上開取壓口，在工程上還是可行的。但到了＊Ｄ型儀表發(fā)展階段，*小通徑可達到ＤＮ１５，同樣是５．５Ｄ，但對應(yīng)的尺寸變?yōu)椋福常恚?，要在如此短的距離上開取壓口，需要放寬距離以滿足工程中的需求。無論哪種情況，實際上兩者本質(zhì)上是一致的。
２差壓流量計溫度壓力測點位置的設(shè)計
差壓式流量計的種類很多，下面以使用*多的標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計為例，說明溫度壓力測點位置的設(shè)計。
２．１差壓流量計工作原理
差壓流量計工作原理如式（８）所示：

式中：Ｃ--流出系數(shù)；β--直徑比，β＝ｄ／Ｄ；Ｄ--管道內(nèi)徑，ｍ；ｄ--工作條件下節(jié)流件的開孔直徑，ｍ；ε１--節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù)；ρ１--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度，ｋｇ／ｍ３。
差壓流量計的本質(zhì)是質(zhì)量流量計，在式（８）中，沒有出現(xiàn)溫度和壓力這兩個變量，但應(yīng)用這種流量計測量氣體和蒸汽的流量時，流體溫度和壓力的變化，會使式中的密度ρ１產(chǎn)生變化，進而影響流量示值。
對于組分穩(wěn)定的氣體，可用式（９）計算ρ１：

式中：ｐ１--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體壓力，ＭＰａ；ｐｎ--氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，取值為０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ１--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體溫度，Ｋ；Ｚｆ１--工作狀態(tài)下氣體壓縮系數(shù)，純數(shù)；ρｎ--標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體密度，ｋｇ／ｍ３。
對蒸汽來說，可用式（１０）由流量演算器自動查表的方法得到ρ１：
ρ１＝ｆ（ｐ１，Ｔｆ１）（１０）
毫無疑問，式（９）和式（１０）都表明，壓力取自正端取壓口，在具體實施時也比較方便，難的是正端取壓口處的流體溫度的測量。
文獻［６］和文獻［７］的相關(guān)內(nèi)容規(guī)定：“流體溫度*好在一次裝置下游測量，測量時需特別小心。溫度計套管或插套所占空間應(yīng)盡可能小，如果插套位于下游，其與一次裝置之間的距離至少應(yīng)為５Ｄ，當(dāng)流體是氣體時，*大為１５Ｄ。如果套管位于上游，則根據(jù)一次裝置的形式，采用規(guī)定的值”。
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，一般可以假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想流體，而又需要計量準(zhǔn)確，且上游取壓口和一次裝置下游測溫處又存在較大的壓力損失，則假設(shè)兩點之間是等焓膨脹，必須根據(jù)下游溫度計算上游溫度。對于孔板計算時，應(yīng)根據(jù)下式計算壓力損失△ω。
△ω＝（１－β１．９）△ｐ   （１１）
式中：△ω--一次裝置壓力損失，Ｐａ。
 然后，可以采用焦耳－湯姆遜系數(shù)μＪＴ（ＪｏｕｌｅＴｈｏｍｓｏｎＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）計算上游取壓口到下游測溫處的相應(yīng)溫差△Ｔ：
△Ｔ＝μＪＴ△ω（１２）
在式（１１），（１２）中，式（１１）是經(jīng)常用的，使用并不難，而式（１２）使用的并不多，原因是μＪＴ求取有難度。
２．２μＪＴ的求取
ＩＳＯ５１６７．１-２００３的*３．３．４節(jié)定義，焦耳－湯姆遜系數(shù)又稱等焓溫度-壓力系數(shù)，是等焓下相對于壓力的溫度變化速率：

式中：Ｔ--絕對（熱力學(xué)）溫度；ｐ--流經(jīng)管道的流體靜壓；Ｈ--焓；ＲＯ--通用氣體常數(shù)；Ｃｍ，ｐ--定壓摩爾比熱容；Ｚ--壓縮系數(shù)。
３ 渦輪流量計溫度壓力測點的設(shè)計
渦輪流量計用來測量氣體流量時，也需要進行溫度壓力補償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量。
該換算所依據(jù)的公式與式（２）相同，但是由于測量原理的不同，測壓點的位置有很大的差別。ＧＢ／Ｔ２１３９１-２００８《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》給出了渦輪流量計在管道上典型的安裝圖。同時在文字描述中規(guī)定，渦輪葉輪處的靜壓測壓口至少要有１個，孔徑范圍在３～１２ｍｍ。該標(biāo)準(zhǔn)同時規(guī)定，溫度傳感器應(yīng)安裝在葉輪的下游端，其離葉輪的距離應(yīng)小于５Ｄ，伸入管道公稱通徑約３３％處，但長度不能超過１５０ｍｍ。
４ 結(jié)束語
１）用來測量氣體和蒸汽流量的流量計，除了個別的流量計之外，都需進行流體溫度、壓力補償。由于流體種類的不同，補償?shù)哪康囊膊槐M相同；由于溫度和壓力的變化，對不同原理流量計的影響不相同，因此測溫點和測壓點位置也有不同的要求，只有合理地確定這些位置，才有可能準(zhǔn)確地補償。
２）發(fā)生爐煤氣流量計用于溫度壓力補償?shù)臏y壓口，宜選在旋渦發(fā)生體下游的直管段上，應(yīng)盡可能靠近流量計，但應(yīng)便于施工和維修（不能選在旋渦體上游的直管段上）。測溫口應(yīng)選在測壓口下游１５０～２００ｍｍ處。
３）差壓流量計用于溫度壓力補償?shù)臏y壓點，應(yīng)選在差壓正端取壓口處；測溫點一般選在差壓裝置下游５Ｄ～１５Ｄ處，并假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。如果是非理想氣體，而又需要計量精準(zhǔn)，且上游取壓口和差壓裝置下游測溫處又存在較大的壓力損失，則可采用焦耳－湯姆遜系數(shù)計算上游取壓口到下游溫口處的相應(yīng)溫差△Ｔ。
４）基于絕熱膨脹等焓變化的原理，利用蒸汽性質(zhì)表，可方便地求取適用于蒸汽的焦耳－湯姆遜系數(shù)。
５）渦輪流量計用于溫度壓力補償?shù)臏y壓點，宜設(shè)在渦輪葉輪前取壓口處；測溫口應(yīng)選在葉輪下游段，離葉輪的距離應(yīng)小于５Ｄ。

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