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1、孔板流量计计算系统软件的设计及实现 The Orifice Flowmeter Calculation System of SoftwareDesign and Implementation 张宋强? 卓 ? 华? 宋长亮 (新疆计量测试研究院, 新疆 乌鲁木齐 830011) 摘? 要: 本文根据孔板差压流量计的结构和测温原理, 探讨了运用 Delphi 语言设计计算软件包, 从而实现快速准确的数据处理。 关键词: 天然气计量; Delphi语言; 数据处理 ? ? 天然气作为重要的能源, 在国民经济建设和人民生 活中发挥着越来重要的作用。特别是随着天然气工业的 快速发展和西气东输工程的顺利
2、实施, 目前我国天然气 年产量已达几百亿立方米。作为大宗贸易商品的天然气 的准确计量, 开始受到社会各界的广泛关注。 天然气的计量在我国以体积计量为主, 并且以孔板 差压式流量计作为计量天然气流量的主要手段, 具有结 构简单、 制造容易, 安装、 使用和维护都很方便, 可靠性高 的特点。 1? 孔板差压流量计的结构和测量原理 差压式流量计是利用流体经节流装置缩产生的压力 差来实现流量检测的。在工艺管道上安装一个直径比管 件小的固定阻力件。当流体流过该阻力件的小孔时, 由 于流体流通截面的突然缩小, 流束必然产生局部收缩而 使得流速加快、 静压力降低, 其结果是在阻力件前后产生 一个较大的静压差
3、。它与流量( 流速) 的大小有关, 流量 越大, 差压越大, 因此只要测量出压差就可以推算出流 量。把流体流过阻力件流束的收缩造成压力变化的过程 称为节流过程, 其中的阻力件称为节流件。 差压式流量计组成框图如图 1 所示: 图 1 节流装置用于安装于管道中产生差压, 节流件前后 的差压与流量成开方关系。引压导管用于取节流装置前 后产生的差压, 传送给差压变送器。差压变送器将产生 的差压转换为标准电信号( 4- 20mA) 测量原理如图 2 所示。 当流体流经管道内的节流件时, 流速将在节流件处 形成局部收缩, 因而流速增加, 静压力降低, 于是在节流 件前后便产生了压差。流体流量愈大, 产生
4、的压差愈大, 这样可依据压差来衡量流量的大小。 差压流量计的测量方程式可通过流体力学中的流体 连续性方程( 质量守恒定律) 和伯努利方程( 能量守恒定 律) 导出。设被测流体为不可压缩的理想流体( 液体) , 根 据伯努利方程, 对截面 I- I、 ?- ?处沿管中心的流体有 以下能量关系: 图 2 P 1 ?1 + v 2 1 2 = P 2 ?2 + v 2 2 2 (1) P1= P2= p P 1+ PV12 2 = P 2+ PV22 2 式中: p 1、 v1! 截面 I- I 处的压力和速度; P 2、 v1! 截面 ?- ?处的压力和速度。 根据流体的连续性方程得 A1v1=
5、A2v2? v1= A2 A1 v2 代入式( 1) 得 v 2 2= 2( P 1- P 2) ? 1- A2 A1 2 根据体积流量的定义, 我们可以得到截面积 ?- ? 上体积流量与差压间的理论公式: 10? ? ? ? 计量与测试技术#2009 年第 36 卷第 11 期 qm= ? A2v2= A2 2? ( P 1- P 2) 1- A2 A1 2 ( 2) A2代表流束最小收缩截面, 用孔板的开孔截面 A0代 替。对式( 2) 用一个无量纲数C 修正, C 称为流出系数 qm= CA0 2?(P1- P2) 1- ? 4= C 1- ? 4A 02? P ?= d D 上式为针对
6、不可压缩的理想流体而得出的流量公 式。对于可压缩流体( 如各种气体、 蒸汽) 流过节流装置 时, 压力发生改变必然引起密度的改变, 因此对于可压缩 流体上式应引入气体可膨胀系数, 则式变为: 差压式流量计的流量公式: qm= 1 1- ? 4C! A 02?1 P qv= 1 1- ?4 C! A0 2 ? ?1 ( 3) 根据: ?1= MaZnP1Gr RZaZ1T ( 4) 式中: Gr! 标准状态下的天然气的正式相对密度; Za! 干空气在标准状态下的压缩因子; Zn! 天然气在标 准状态下的压缩因子; Ma! 干空气的相对分子质量; R ! 通用气体常数。 根据公式( 3) ( 4)
7、 , 整理后得到天然气标准体积流量 计算公式为: Qn= AsCEd2FG! FZFTP1 P( 5) 式中: Qn! 标准状态下天然气体积流量, m 3/ s; A s! 秒计量系数, 视采用计量单位而定; C ! 流出系数; E ! 渐进速度系数; d ! 孔板开孔直径, mm; FG! 相对密度 系数; ! 可膨胀性系数; FZ! 超压缩因子; FT! 流动温 度系数; P1! 孔板上游侧取压孔气流绝对静压, MPa; p ! 气流流经孔板时产生的差压, Pa。 2? 流量计算和系数参数确定 从流量基本方程式可以看出, 要根据差压 p 计算 流量, 必须还要确定有关各种参数, 准确的确定
8、各项参数 值, 是一项很重要的工作。 2?1? 按公式( 5) 和标准的附录有关规定计算天然气流量 值 Qn。 2?2? 流出系数 C 按下式计算 C =0?5959 + 0?0312? 2?1 -0?1840? 8 +0?0029? 2?5 10 ReD 0?75 + 0?0900L1? 4(1- ?4)- 1- 0?0337L 2( ? 3) ( 6) 当 L10?0390 0?0900时, ? 4(1- ?4)- 1的系数用 0?0390。 式中: ?! 直径比; ?= d D ; d 按公式( 8) 计算; ReD! 管径雷诺数; L1! 孔板上游端面到上游取压孔的 距离以测量管内径得
9、出的商, L1= l1 D ; L2! 孔板下游端面到 下游取压孔的距离除以测量管内径得出的商, L2= l2 D 。 当间距符合法兰取压方式时, L1= L2= 25?4 D 当间距符合角度接取压方式: L1= L2= 0 D 值的单位为毫米 2?3? 渐进速度系数 E 按下式计算: E= 1 1- ? 4 ( 7) 2?4? 孔板开孔直径 d 值按下式计算: d= d20 1+ A4( t - t20)( 8) 式中: d20! 20% Ad! 孔板材料的线膨胀系数, mm/ ( mm% ) , 查表; t ! 天然气流过节流装置时实测之气流温度, % ; t20! 检 测时室内温度, %
10、 ( 20% Z1! 天然气在流动状态下的压缩因子。 2?8? 流动温度系数 FT式因天然气温流经节流装置时, 气流的平均热力学温度 T 偏离标准状态热力学温度 ( 293?15K) 而导出的修正系数, 其值按下式计算: FT= 293?15 T ( 12) 式中: T = t+ 273?15, t 含义同公式( 8) 。 2?9? 气流绝对压力 P1为天然气流经节流装置时, 在孔 板上游测取压孔实测的绝对压力值, 其值可用绝对压力 计实测, 也可按下式计算: P1= P2+ Pa( 13) 式中: P1! 孔板上游测取压孔实测表压值, MPa; Pa! 当地大气压值, MPa。 ( 下转第
11、14 页) 张宋强等: 孔板流量计计算系统软件的设计及实现 ? ? ? ?11 ? ? ? ? ? 重晶石矿石成份分析标准物质研制#项目的候选物 采自国内五个矿区的七件样品。样品经过均匀性检验 后, 经过中国地质调查局八个矿产资源监督检测中心协 作定值, 确定 Cu、 Pb、 Zn 的推荐值( 待定为标准物质) 。 标准溶液基体匹配法对 7 个样品的测定值与推荐值吻合 ( 相对误差 0?31%- 4?49%) 。该方法准确度见表 5。 表 5? 基体匹配法的准确度 样品 Cu( 10- 6) 推荐值测定值 RE % Pb ( 10- 6) 推荐值测定值 RE % Zn( 10- 6) 推荐值测
12、定值 RE % GSO- 1109108?20?7321?621?21?8523?122?52?6 GSO- 23?122?984?4914?114?52?845?945?822?02 GSO- 36?626?403?3212?011?72?5012?411?94?03 GSO- 441?041?71?7113?613?23?035?385?471?67 GSO- 51251271?6014?213?73?5227?526?82?55 GSO- 6140013900?71430042501?1638300381800?31 GSO- 79?8610?12?4315?114?53?9737?33
13、6?81?34 4? 结束语 重晶石矿石标准物质 Cu、 Pb、 Zn 定值, 采用电感耦 合等离子体发射光谱分析方法, 施行基体匹配, 很好的解 决了背景干扰, 对已知 BaSO4含量的不同种类重晶石试 样中 Cu、 Pb、 Zn 的测定, 结果准确、 可靠。 参考文献 1 岩石矿物分析第三分册( 第三版) . 地质出版社,1991 年. 2 岩石和矿石分析规程第二分册. 地质出版社, 1993 年. 3 区域地球化学勘察样品分析方法. 地质出版社,2004: 29 45. 4 李东, 赵军. ICP- AES 法测定磷矿石中主量、 痕量成分 J . 光谱学 与光谱分析, 2001, 21(
14、 2) : 431- 432. 5 王龙山, 郝辉等. 偏硼酸锂容矿- 超声提取- 电感耦合等离子体发 射光谱法测定岩石水系沉积物土壤样品中硅铝铁等 10 种元素 J . 岩矿测 试, 2008, 27( 4) : 287- 290. 6 美国热电公司. 电感耦合等离子体发射光谱培训教程 Z . 48- 53. 7 冯静等.重晶石矿石成份分析标准物质研制#成果报告( 内部资 料) . 2007: 43- 50. 作者简介: 崔德松, 男, 高级工程师。工作单位: 沈阳地质矿产研究所。通 讯地址: 110032 辽宁省沈阳市皇姑区北陵大街 26 号甲3, 东北矿产资源监 督检测中心。 收稿时间:
15、 2009- 04- 08 ( 上接第 11 页) 2?10? 差压 P 应考虑孔板两侧取压点之间的任何高 度, 使用差压直接测量, 单位为帕斯卡( Pa) 当节流装置水平安装时, 其值为: P= P1- P2( 14) 3? 编程语言 选用 Delphi 6?0 语言编写软件。Delphi 基于窗体和 面向对象的方法, 与 Windows 编程紧密结合, 在数据库 方面的特长显得尤为突出, 适应于多种数据库结构; Del? phi 是全新的可视化编程环境, 为我们提供了一种方便、 快捷的 Windows 应用程序开发工具。它使用了 Win? dows图形用户界面的许多先进特性和设计思想, 采
16、用了 强大而成熟的组件技术实现了弹性可重复利用的完整的 面向对象程序。用它提供一个方便的操作界面, 便于人 机对话。提供强大的数据库, 利于存储、 处理大量的数据。 并用时间控件定时读取数据。在数据处理方面, 它可以通 过程序, 迅速处理数据, 并把结果显示在界面上。 4? 计算系统软件包的实现 根据孔板流量计的计算原理, 要实现对流量的计算, 数据处理计算量大, 人工计算要耗费很多时间, 效率较 低, 且数据计算、 修约等处理过称中极易出现差错, 导致 最后计算结果的失误, 鉴于这些原因, 我们利用 Delphi 语言编写了一个计算程序来实现其计算过程, 快捷、 方 便、 准确度高, 特别是现场校验时, 能很快就知道现场校 验的流量与理论流量是否相符, 有多大的误差, 这个计算 软件的优势就凸显出来了。 在实际工作中我们需计算出环境温度时的测量管内 径 D、 孔板开孔直径 d、 直径比 ?、 相对密度 Gr、 查表计 算得到等熵指数 k、 动力粘度 1这六个参数的计算过程 60 余次, 查表 20 余次
