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            基于單相穩定流的前提下研究管道積水對孔板流量計的影響

            作者: 來源: 發布時間:2018-02-27 12:57:32


                在利用孔板流量計量裝置進行煤氣流量計量時,管道積水會改變孔板流量計量裝置的幾何特性,從而影響流量計量的準確性。文章通過分析管道積水對孔板流量計流量方程中各參數的影響,得出管道積水對流量計量產生的影響,zui后以工業上某實際孔板流量計量裝置定期放水的實驗數據作驗證。
                被測介質為濕煤氣的孔板流量計量裝置運行一段時間后,拆卸孔板時,會有水從測量管道中流出來,有時孔板上游端面還會有積水痕跡,說明孔板上游測量管道中會有積水。管道積水,會改變孔板流量計量裝置的幾何特性,從而影響流量計量的準確性。一般,用來測量濕煤氣的孔板流量計量裝置建立在地面之上,而城市燃氣管道敷設于地下,這樣,孔板流量計量裝置高于城市燃氣管道。裝置中,孔板上游測量管道較長、煤氣壓力較高,下游測量管道較短、煤氣壓力較低; 孔板上游測量管道中,煤氣在逼近孔板的沖擊壓力的影響下,易使孔板上游測量管道產生積水。下游測量管道不易產生積水,即使下游產生少量積水,也會被流動的煤氣挾帶進入地下城市燃氣管道中。因此,研究管道積水對流量計量的影響是十分必要的,本文從工業實際出發,主要研究孔板上游測量管道積水對流量計量的影響。

            1、理論基礎:
                標準孔板流量計是在已知流體狀態、標準孔板節流件尺寸和管道幾何尺寸的條件下,通過測得流體流經孔板時,在孔板前、后產生的差壓求得流體流量的。該差壓與流量之間有確定的數值關系,這關系即為孔板流量計的流量方程[1]:

            2.jpg
               

             計算公式
                  式中: qV為流經孔板流量計的流體流量,m3/ s; d 為孔徑,m; C 為流出系數,無量綱; ε 為可膨脹系數,無量綱; β 為直徑比,孔徑 d 與管道內徑 D 之比,即β = d / D,無量綱; Δp 為孔板前、后取壓孔處被測流體的差壓,Pa; ρ 為流體密度,kg /m3。
                孔板流量計量裝置的測量特性決定于裝置的幾何特性和流體的流動特性[2]。在流量測量范圍內,一定幾何特性的孔板流量計量裝置,流量與差壓之間具有確定的流量關系式。幾何特性改變,流量關系隨之改變。
                孔板流量計量裝置在測量濕煤氣流量的實際應用中,測量管道積水,使管道內氣體實際流通截面積減小,裝置的幾何特性發生了改變,流量關系改變。按照安裝時的流量關系式得到的計量流量 ( 即流量示值) 與實際流量發生了偏離。這種偏離,正是本文所要研究的問題。
                文獻 [3] 中研究了孔板前管道積水對流量系數的影響。三暢儀表是在分析了管道積水對流量方程中各參數的影響的基礎上,得到測量管道積水后流量示值與實際流量之間偏離程度。
             
            2、分析研究:
                2. 1、管道積水對流量方程中各參數的影響:
                  由流量方程可見,流量 q 為 d、C、ε、β、Δp 和ρ 等 6 個參數的函數,其中孔徑 d 為已知量,受工作溫度和材料熱膨脹系數的影響; 差壓 Δp 是孔板流量計量裝置實測量; 密度 ρ 取決于煤氣組分、工作溫度和工作壓力。可見,d、Δp 和 ρ 值不受管道積水的影響,不予分析。以下主要分析測量管道積水對直徑比β、可膨脹系數 ε 和流出系數 C 的影響。
                下面以某孔板流量計量裝置為例,通過具體計算,
                來研究測量管道積水對流量方程中用于流量計算的各參數產生的影響。已知某孔板流量計量裝置測量管道的直徑 D 為 699. 31mm,孔徑 d 為 335. 382mm。取 壓 方 式 為 徑 距 取 壓。 結 算 狀 態 為: 15. 5℃,101. 671k Pa。該計量裝置在溫度 t 為 35℃ 、相對濕度φ 為 100% 、壓力 p 為 60k Pa、差壓 Δp 為 9k Pa 時,直徑比 β 為 0. 479629,可膨脹系數 ε 為 0. 984971,流出系數 C 為 0. 602500,
            計量流量 qV為 38743m3/ h。分析中,以實際積水高度 h 與堰高 H 之比: h /H,表示管道積水高度,其中堰高 H = ( D - d) /2 =181. 981mm。
                ( 1) 管道積水對直徑比的影響:
                孔板流量計量裝置測量管道中的積水是柔性的,在煤氣壓力的作用下,管道內積水面會發生一定的彎曲。由于管道內煤氣壓力較低,可忽略因氣體壓力而引起的積水面的微小弧度,認為積水面為平面。只要積水高度一定 ( 即圖 1 中陰影部分面積一定) ,就能確定氣體流通截面積。因此,選用與氣體流通截面積相同面積的圓的直徑作為等效直徑,以積水高度表示管道積水后氣體流通截面積。如圖 1 為管道截面示意圖,陰影部分為積水。經計算得到管道積水后,等效直徑比 β'為:
             

            圖 1 管道截面示意圖

            3.jpg


                式中: β'為管道積水后,等效直徑比,無量綱; d 為孔徑,m ; D 為 測 量 管 道 直 徑,m; h 為 積 水 高度,m。
                公式 ( 2) 是在測量管道積水時,等效直徑比的計算公式。積水高度與等效直徑比的變化關系如圖 2。
                圖 2 可見: 當積水高度為堰高的 10% 時,等效直徑比增大 0. 3553% ; 積水高度為堰高的 20% 時,等效直徑比增大 1. 007% ; 積水高度為堰高的 50% 時,等效直徑比增大 4. 058% 。因此,管道積水后,等效直徑比 增 大; 積 水 高 度 越 高,等 效 直 徑 比 增 大 越顯著。
             

            圖 2 管道積水對直徑比的影響圖

            4.jpg


                ( 2) 管道積水對可膨脹系數的影響可膨脹系數的計算公式為:

            5.jpg
                計算公式
                式中: p1、p2為孔板前、后取壓孔處被測流體的壓力,Pa。


                圖 3 管道積水對可壓縮系數的影響圖

            6.jpg

             

                管道積水高度與可膨脹系數的變化關系見圖 3。可知: 管道 積 水 使可 膨 脹 系數 減 小,并 且 影 響 很小
                ( 3) 管道積水對流出系數的影響國內外有關資料對于孔板在實際應用中產生的偏離標準的程度,皆用流出系數的偏差來衡量[4]。孔板前管道積水會改變流出系數[5],下面看一下管道積水對流出系數的影響。ISO5167 - 2006 推薦流出系數的計算公式采用里德 - 哈利斯/加拉赫公式:[4]

            7.jpg


                計算公式
                  式中: C 為流出系數,無量綱; β 為直徑比,無量綱;
                ReD為管道雷諾數,
                無量綱; L1為孔板上游端面到上游取壓口的距離除以管道直徑得出的商,
                無量綱; L'2為孔板下游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑得出的商,無量綱。
                計算管道積水后的實際流出系數和實際流量時,應以等效直徑比 β'代替直徑比 β、以實際可膨脹系數 ε'代替可膨脹系數 ε,可求出管道積水后相應的 C'和q'V值。如圖 4 為積水高度對流出系數的影響。


            圖 4 管道積水對流出系數的影響圖

            8.jpg


              圖 4 可見: 積水高度為堰高的 10% 時,實際流出系數增加 0. 0102% ; 積水高度為堰高的 20% 時,實際流出系數增加 0. 0289% ; 積水高度為堰高的 50%時,實際流出系數增加 0. 1182% 。因此,孔板上游測量管道積水后,實際流出系數增大。積水高度越高,實際流出系數增大越顯著,呈現近似正向二次函數的關系。

                2. 2、管道積水對流量計量的影響:
                在分析了管道積水對直徑比、可膨脹系數和流出系數等參數的影響之后,來看一看測量管道積水對流量計量的影響。將管道積水后的各參數實際值分別代入流量方程,求出管道積水后的實際流量,并將其與計量流量 ( 流量示值) 作比較。
                圖 5 為管道積水后,對于不同的積水高度,實際流量與計量流量 ( 流量示值) 的關系。圖中 δq =( q' - q ) /q × 100% ,其中: q' 為管道積水時的實際流量,q 為流量示值。


            圖 5 管道積水對流量的影響

            9.jpg


                由圖 5 可見:
                ( 1) 測量管道積水后,實際流量大于計量流量( 流量示值) 。也就是說,與實際流量相比計量流量偏小。
                ( 2) 在計量流量 ( 流量示值) 不變的情況下,實際流量隨管道積水高度的升高而增大。積水高度越高,實際流量增大越顯著,亦呈現近似正向二次函數的關系。當積水高度為堰高的 10% 時,實際流量增大0. 0492% ; 積水高度為堰高的 20% 時,實際流量增大0. 1395% ; 積水高度為堰高的 50% 時,實際流量增大 0. 5912% 。
                當計量流量為 38743m3/ h, 管道積水高度為堰高的 50% 時, 實 際 流 量 與 計 量 流 量 的 偏 差 為0. 5912% ,一年以 365 天計,實際流量增大了 200m3。因此,在貿易結算中,管道積水對流量的影響是不容忽視的。
             
            3、實際數據:
                為驗證理論計算結果,對某實際運行中的人工煤氣孔板流量計量裝置定期放水,將放水前、后的計量流量作對比。先將由于用氣或供氣量發生變化,造成有明顯變化或波動的流量數據予以剔除,對穩定運行工況下,放水前、后計量流量的變化進行分析。表 1中所取數據為: 穩定的運行工況下,放水前、后各10min 的平均時流量。
                由表 1 可見: 在穩定的運行工況下,放水后計量流量大于放水前的計量流量。這表明: 測量管道積水使流量示值小于實際流量。由于這些數據是孔板流量計量裝置實際運行時采集的流量數據,該數據或多或少會受到環境或用戶的影響,但至少可以說明: 測量管道積水使計量流量 ( 即流量示值) 小于實際流量。


                表 1 放水前、后 10min 的平均時流量統計表

            10.jpg


            4、結論:
                綜上可知,測量管道積水會導致計量流量 ( 流量示值) 減小,隨積水高度的升高,計量流量與實際流量之間偏離程度增大。貿易結算中,管道積水對流量計量的影響是不容忽視的。實際應用中,應特別注意定期排水。由于管道積水對流量計量的影響是同一方向的,因此可考慮對管道積水引入的流量誤差予以修正,假定測量管道以相同速率積水,根據排水周期及積水量,對未來的流量影響值進行預測或補償。
                另外,孔板流量計量裝置適用于單相穩定流,本文的分析亦是基于單相穩定流的前提下給出了管道積水對流量計量影響的結論。有時,管道的積水會導致氣體流動過程中形成脈動流,脈動流對流量計量的影響不在本文的研究范圍之內。
             

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