摘要:介紹了孔板差壓式流量計測量水蒸氣的工作原理,對導致孔板差壓式流量計產生測量誤差的各種內、外因素進行了分析,并闡述了相應的校正補償方法，為今后孔板差壓式流量計的設計和使用提供了借鑒。
目前,國內外用于水蒸氣流量測量的儀表主要包括:孔板流量計、渦街流量計、轉子流量計和彎管流量計等儀表。其中,孔板差壓式流量計是國內外得以研究、試驗數據完善、實踐經驗豐富、標準化程度的流量計,因其結構簡單、制造成本較低、性能比較穩(wěn)定、使用壽命較長且已標準化,因而在工業(yè)上得到了廣泛的應用�？装辶髁坑嬘晒�(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算機等組成。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)的生產經營具有重要的意義。
1孔板工作原理及誤差補償方法
1.1孔板式流計的工作原理
孔板式流量計采用差壓式測量方法對流量進行測量,即在管道內裝入節(jié)流元件一孔板。當水蒸氣流過孔板時,流體速度增大,壓力減小，于是在孔板的前后產生差壓,利用具有-定設計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系,因此可以通過測量差壓得到水蒸氣的流量「。根據國標GB/T26241993,對于標準節(jié)流裝置,差壓△P與流量qm的函數關系為:
式中:qm為質量流量,kg/s;C為流出系數;D為管道內徑,m;ε為節(jié)流件正端取壓口平面上的氣體膨脹系數;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C的補償
流出系數C是表征孔板節(jié)流裝置特性的主要參數,是雷諾數Re和β的函數,它是一個隨流量變化的量,其值隨Re的增大而減小,當Re大于一定值趨向無窮大時,C趨向于常數Ck,而孔徑比β越大,C的變化幅度也越大,使C趨向于常數Ck的Re也越大,C與β和Re之間的定量關系為:
對于給定的標準孔板,當β為常數時,C僅是Re的函數C=f(Re)。在公式(1)中,將C用公式(2)而不是一個常數來代替,可提高計量的精度。
1.3水蒸氣膨脹系數ε的補償
差壓式流量計在用來測氣體和蒸氣流量時,流體流過節(jié)流裝置在節(jié)流件兩邊都要產生--定的差壓,在節(jié)流件的下游靜壓降低,將出現流束膨脹，流束的這種膨脹使得節(jié)流裝置的輸出(差壓)一輸人(流量)關系同不可壓縮流體之間的偏差。如果不對這種偏差進行校正,將會導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變化時,產生的誤差會更大,因此更有必要對其進行修正。
1.4孔板流計變更量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整就萬事大吉。這是因為孔板流量計量程變更后，管道中的常用流速等參數將發(fā)生變化,流出系數也相應有所變化，因此需從已知節(jié)流裝置數據(從節(jié)流裝置計算書查得)和其他有關流量數據(如:變更后的流量上限及常用流量)計算出新的差壓上限。實踐證明,若量程縮小后,C和ε均增大,相應的質量流量會偏大。
1.5密度ρ的補償
在其他參數不變的情況下,qm與ρ之間的關系為:qm≈k,√ρ�？梢钥闯�,水蒸氣的流量與其密度的平方根成正比關系。水蒸氣是可壓縮性氣體，當其壓力、溫度變化時,其密度將發(fā)生明顯變化,這將引起流量很大的誤差。實際流體狀態(tài)(壓力、溫度)與流量計設計時的狀態(tài)(壓力、溫度)偏離造成的相對誤差可由公式(3)表示:
假如設計孔板流量計時是按照1MPa和285℃所對應的過熱水蒸氣密度ρ=4.374kg/m³設計的，則密度的變化造成的測量誤差可能很大，當壓力大且溫度低時,測量值偏大;當壓力低且溫度高時,測量值偏小。水蒸氣的實際狀態(tài)偏離孔板實際狀態(tài)越嚴重,所引起的誤差越大。要補償密度變化所引起的這種誤差,就不能將公式(1)中的ρ以設計工況下的密度來代入,需要將ρ看作壓力和溫度的函數,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行壓力溫度補償的原因。
1.6孔板內徑d和管徑D的誤差補償
測量水蒸氣流量時，如果設計工況為200℃,孔板內徑為d,則孔板內徑在實際工作狀態(tài)下的修正公式為：
實際上d和D偏離設計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的實際值測量出來,代人公式計算出與此實際值相對應的流量滿度值,然后用新的滿度值代替原設計值,置人流量顯示儀表，則系統(tǒng)運行后,尺寸誤差對測量系統(tǒng)的影響就能得到完全的校正，這也就是每臺流量計在投人使用前進行修正計算的主要工作。
2常見誤差原因分析
2.1實際工作狀態(tài)引起的誤差
標準孔板是按照特定的已知條件進行設計的，但在工作過程中,被測量介質的各種參數(如溫度、密度、壓力、黏度等)與標準孔板的額定數值有所不同。如在常溫附近時,若被測量介質為氣體,溫度每變化10℃,氣體的密度則變化3%左右;在1個大氣壓下，被測氣體壓力每變化10Pa,密度則變化10%左右。所以在用標準孔板測量氣體時,必須考慮氣體溫度和壓力的變化，以進行適當的修正。
2.2安裝不正確引起的誤差
對于標準孔板,為了保證被測量介質流量的精度,標準孔板一定要按規(guī)定要求進行正確安裝,否則將會產生一定的測量誤差。
(1)孔板的銳面應迎著流體的方向,以確�？装宓姆较虬惭b正確。
(2)孔板的前端面與管段軸線應保證垂直,最大傾斜度應小于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，建議標準孔板前后的直管段應盡量采用標準直管段,然后再與主管道聯接。
(4)新安裝的管道在安裝孔板前,應對管道進行沖洗和掃線操作,從而避免掃線時損傷孔板的銳面,且管道內的雜物在孔板前后堆積也會降低測量的精度。
(5)孔板在使用過程中,由于受被測量介質溫度的影響,其自身會產生線膨脹,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的自由伸縮性。
(6)孔板的密封墊片不能伸人管道中,應盡量薄,一般厚度應小于0.03D。
2.3孔板入口邊緣磨損引起的誤差
標準孔板在使用過程中，被測量介質對孔板的沖刷腐蝕往往會造成測量裝置的幾何形狀和尺寸產生不同程度的變化。長期使用后,孔板邊緣的銳角會變鈍,在相同體積的被測量介質經過時所產生的壓差△p將變小,標準孔板的示值會偏低,從而引起測量誤差,為了保證測量的精度，應定期對孔板進行校驗、清洗，以減小對孔板的沖蝕和污物堆積。
2.4引壓管路安裝不當引起的測量誤差
引壓管路應垂直或傾斜安裝,其傾斜度應大于1;12.在引壓管路的安裝過程中,應保證彎曲處圓滑過渡,彎曲半徑應大于引壓管外徑的5倍，在測量不同的介質時,引壓管的長度和內徑要符合安裝規(guī)定的要求。
2.5引壓管路堵塞引起的測量誤差
標準孔板在使用過程中，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保證處于良好狀態(tài),不能有泄漏。為了減少此類誤差，平時應加強管理,提高操作人員的素質,在使用過程中，操作人員應做好系統(tǒng)的檢修、維護和保養(yǎng)工作,延長其使用壽命，從而減小測量誤差的產生。
3結語
使用孔板差壓式流量計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,正確安裝與調試，及時維護與保養(yǎng),并對測量部分可能引人的誤差進行適當的補償和校正。因為在使用過程中,當流量和壓力波動較大時,從流量系數與流束膨脹系數所引人的系統(tǒng)誤差較大，另外孔板長期運行后銳角會變鈍、幾何尺寸會發(fā)生變化，系統(tǒng)的測量精度就會下降,有時甚至無法進行正常測量,所以平時應加強管理,盡量減小測量誤差的產生。
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