气体流量测量

气体流量测量纪纲上海宝科自动化仪表研究所用双量程差压流量计测量气体流量1-011.1节流式差压计的一般公式式中qm──质量流量，kg/s；C──流出系数；β──直径比，β=d/D；D──管道内径，m；ε1──节流件正端取压口平面上的可膨胀性系数；d──工作条件下节流件的开孔直径，m；Δp──差压，Pa；ρ1──节流件正端取压口平面上的流体密度，kg/m3。1214241pdCqm（1）1-02差压流量计的密度补偿式中k──密度补偿系数；ρf──工况条件下正端取压口平面上流体密度，kg/m3，由计算得到；ρd──设计条件下正端取压口平面上流体密度，kg/m3（由查孔板计算书得到）。（1）补偿公式dfk/（2）1-03气体密度的计算（一）式中ρf、ρn──使用状态和标准状态流体密度，kg/m3；Pf、Pn──使用状态和标准状态流体绝对压力，Pa；Tf、Tn──使用状态和标准状态流体绝对温度，k；Zf、Zn──使用状态和标准状态流体压缩系数。（3）nffnnnffZTPZTP1-04气体密度的计算（二）式中ρd、ρn──设计状态和标准状态流体密度，kg/m3；Pd、Pn──设计状态和标准状态流体绝对压力，Pa；Tf、Tn──设计状态和标准状态流体绝对温度，k；Zf、Zn──设计状态和标准状态流体压缩系数。（4）nffnnnddZTPZTP1-05差压流量计的密度补偿公式式中Pd、Td、Zd来自孔板计算书。Pf、Tf由实测（或手动设置）得到。Zf由计算（或手动设置）得到。（5）将式（3）和（4）代入式（2）得ffdddfZTPZTPk1-06组份稳定气体的压缩系数计算式中：对比温度对比压力Pf、Tf──气体的工作绝对压力和工作绝对温度；Pc、Tc──气体的临界绝对压力和临界绝对温度；（6）压缩系数Z计算公式采用普遍化R-K方程式：hhTrhZ1934.4115.1TrZhPr08664.0（7）cfrTTTcfrPPP1-07温度压力补偿的实现温度压力补偿的实质是补偿温度压力变化后，流体密度相应变化对测量结果的影响（补偿系数在中间计算结果画面中显示），k中也包含Z的贡献。PT流量演算器FTTEqm1-08流出系数非线性的在线补偿孔板、喷嘴、文丘里管的流出系数C，都受雷诺数ReD的影响。ISA1932喷嘴流出系数C的表达式式中：C——流出系数;β——直径比，β=d／D；d——喉部内径，m；D——管道内径，m；ReD——与D有关的雷诺数。1.15D615.421.4)Re100033.000175.02262.09900.0C）（ββ（β1-09标准孔板流出系数C的表达式（一）流出系数C的R/G公式：7.0682)Re/10(000521.0216.00261.05961.0DC)1/()11.01)(123.0080.0043.0(4417110AeeLL3.065.3)Re/10()0063.00188.0(DA3.11.122)8.0(031.0MM当D＜71.12mm时，应加以下一项：)4.25/8.2)(75.0(011.0D1-10β——工况下孔径与管径之比，β=d/D；符号定义：式中D的单位：mm；ReD——管道雷诺数；8.0)Re/19000(DA)1/(222LM——孔板上游端面到上游取压口的距离；DlL/111l；DlL/122l——孔板下游端面到下游取压口的距离；DlL/222l——孔板上游端面到下游取压口的距离对于D-D/2取压法：L1=1，L2=0.47对于角接取压法：L1=L’2=0对于法兰取压法：L1=L’2=25.4/D，D的单位：mmR/G公式是根据16522个数据点回归出来的。标准孔板流出系数C的表达式（二）孔板C=f（ReD)关系的形象化描述图1.1C=f（ReD）关系曲线1-11流出系数在低雷诺数时变化较大对C进行实时计算或用折线进行补偿，能使低流量段精度得到提高。q在0-100%范围内变化时，ReD变化幅值很大，所以C有明显变化例（见图）：ReD=时，C=0.6043ReD=时，C=0.6080这就意味着百分率流量越小，示值偏低越严重。6105101-121-13标准差压装置输出的差压等于正端取压口压力P1与负端取压口压力P2之差。由于差压从管壁取出，所以受流场影响。ReD大时，管壁取压得到的流速与管道内平均流速很接近。ReD小时，管中心流速比管壁附近流速高很多，所以管壁测得的流速比管道内平均流速低得多。C=f（ReD)公式就是对这一现象做数学描述。均速流量计采用多点取压，C不受图1.2层流和湍流的速度分布ReD影响。C为什么受（ReD）影响C非线性校正的影响幅值％qmmaxReDCkα102030405060708090100990431980872971303961734952175942606933037923478913909904330.6062900000.6049383300.6044182880.6041343930.6039527140.6038252610.6037302960.6036564550.6035971870.6035484301.004521.002301.001441.000971.000671.000461.000301.000181.000081.00000C及kα数据表1-14可膨胀性系数非线ε1性的在线校正1-15可膨胀性系数ε1的定义差压式流量计（孔板、喷嘴、文丘里管等）在用来测气体和蒸汽流量时，流体流过节流装置，在节流件两边都要产生一定的压差，节流件的下游静压降低，因而出现流束膨胀，流束的这种膨胀使得节流装置的输出（差压）-输入（流量）关系同不可压缩流体之间存在一定的偏差，如果不对这种偏差进行校正将会导致流量示值偏高千分之几到百分之几，在β和△p／p1均较大的情况下甚至可达10%。可膨胀性系数(expansibilityfactor)ε就是为修正此偏差而引入的变量。对于三种取压方式的孔板，计算介质可膨胀性系数ε的经验公式如下：各种气体，空气，蒸汽，天然气等。])/(1)[93.0256.0351.0(1/11284pp此公式的适用范围：（p2/p1）≥0.75，适用于1-16标准孔板可膨胀性系数C的表达式式中：β——直径比；κ——等熵指数；P2——差压装置负端取压口压力，Pa；P1——差压装置正端取压口压力，Pa。ε1变化对流量示值的影响q在0-100%内变化，相应Δp也在0-100%范围内变化，不同的q对应不同的ε1。q变化范围越大，对应的ε1值差异越大，若仍将其当常数看待，引入的不确定度相应增大。百分率流量越小，Δp越小，ε1越大，流量示值偏低越严重。对ε1进行在线计算，从而实现ε1的校正，提高全量程的精度。1-17ISA1932喷嘴的ε1表达式式中ε—可膨胀性系数；β—直径比；κ—等熵指数；τ—压力比，p2／p1p2—喷嘴负端取压口压力，Pa；p1—喷嘴正端取压口压力，Pa。211244211111-）］）（）（τ［（／／1-18由F1供F3（F2关闭），两套表基本相符。由F2供F3（F1关闭），两套表基本相符。由F1和F2共同供F3，供方比需方（FIQ3）低1.5~3%。1-19C和ε1非线性引起误差的例子（一）浙江宁波某热电厂有相同规格的三套孔板流量计，FIQ1F10~100t/hFIQ2F20~100t/hFIQ3F30~100t/h常用70t/h1-20C和ε1非线性引起误差的例子（二）分析：F1或F2单供时，前后两套表具有相同的C和ε1。由F1和F2共同供F3时，需方表计的C和ε1与计算书吻合，但F1和F2由于只有常用流量的一半左右，所以ReD小→C大，ΔP小→ε1大。将实际数据代入计算，C的原因引起供方表偏低约0.1%；ε1的原因引起供方表偏低约1.5%。由于差压变送器高低压室内排气不彻底，也引入一定的不确定性。标准差压式流量计如何保证准确度•偏离常用工况后，ρ的变化进行密度补偿•偏离常用流量后，C的变化用C=f（β，ReD）补偿，ε的变化用ε=f（β，,κ）校正。•流量小于20%FS后，引入低量程差压变送器提高差压测量精度。1-2112PP在流量标准装置上的验证：a.不进行C补偿和ε1的补偿，量程比能达到3:1b.进行C补偿和ε1的补偿，量程比能达到10:1c.进行C补偿和ε1的补偿，并引入低量程差压变送器，能达到30:1。不同的处理方法得到不同的量程比1-22双量程差压流量计的核心1-23约束差压式流量计范围度的主要因素为什么是差压变送器在测量低端的精度？pkqmppqqmm21因差压变送器精度是用引用误差表示的，差压相对值越小，其不确定度越大。ppqm(%)ΔP(%)100100001.3双量程差压流量计的历史•双量程流量计已有三十多年的历史。•早期的方法是一台节流装置配大小量程两台差压计，并用阀门切换。•八十年代用一台可变测量范围差压变送器提高低量程差压精度。•现在的双量程差压流量计：①高低量程差压变送器精度等级大大提高。②由智能化流量二次表实现高低量程自动切换。③对差压装置的C和ε进行在线补偿。④系统精度大大提高。1-24完全独立的两台差压流量计的缺点（一）（1）一台小表与一台大表并联使用投资大，量程切换不方便，而且担心切断阀关不死。1-25低量程高量程V2V1FIQ1PT1TE1FT1FIQ2PT2TE2FT2完全独立的两台差压流量计的缺点（二）（2）一台小表与一台大表串联使用投资大，永久性压损成倍增大。1-26FIQ1PT1FT1TE1低量程FIQ2PT2FT2TE2高量程新型双量程差压流量计的结构1-27高低量程的切换在流量二次表中完成。①当开平方运算在流量二次表内完成时，（≤100%）（＞100%）②当开平方运算在差压变送器内完成时，（≤100%）（＞100%）式中：——未经补偿的流量，单位由FS定；——低量程变送器输出信号，0～100%；——高量程变送器输出信号，0～100%；——低量程满度流量，kg/h、t/h或Nm3/h等；——高量程满度流量，kg/h、t/h或Nm3/h等。LiLfFSAqHiHfFSAq高低量程的切换1-28fqiLAiHALFSHFSiLAiLAiLAiLALiLfFSAqHiHfFSAq技术指标1-29系统不确定度：蒸汽和（组份稳定的）气体：1.5%读数值液体：1.0%读数值[（3~100）%FS区间]蒸汽和（组份稳定的）气体：1.5%FSL液体：1.0%FSL[（1~3）%FS区间]式中FSL为低量程流量测量上限介质：各种高、中、低压，温度＜560℃的各种介质。双量程节流式流量计外形图1-30双量程节流式流量计运行曲线例1-31单边引压的双量程节流式流量计1-32单向引压垂直布置水平布置的双量程节流式流量计1-33双向引压水平布置系统不确定度与流量的关系1-34031020901001.5qm/%FSmmqq%液体气体蒸汽11.0变送器输出与流量的关系开平方运算在差压变送器中完成。1-350117.324060801004.004.926.778.0012.00216.0020.00qm/%FS高量程变送器低量程变送器IO/mA1.4全量程范围内的不确定度分析•低量程：1~17.32%FS高量程:(17.32~100)%FS•高量程段不确定度最差的点在17.32%处；低量程段3%FS点与高量程段17.32%点具有相同特点。低量程段1%FS点不确定度最差。•小信号切除点：1%FS。•分析3%FS的不确定度和1%FS的不确定度便知全量程不确定度。1-361.53%FS特征点不确定度估算（实例）1.已知条件①介质名称：氧气等熵指数κ=1.461②流量测量上限qmmax=33288