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1、扩大节流装置流量测量范围的简单方法摘 要 简述了节流式流量测量的基本原理，分析了影响质量流量范围度的主要因素。认为扩大节流 装置流量测量范围最简单而有效的方法是改变差压变送器的量程，一般可使节流装置的范围 度由35：1扩大到925：1。 关键词 节流装置；流量；测量范围1 引言 以孔板和喷嘴为节流件的流量测量装置是目前工业生产及贸易结算中应用最广泛的流量测量 装置 之一，具有结构简单、安装方便、耐高压高温、使用寿命长等优点，在目前的蒸汽计量中 占有相当大的比例，其不足之处是流量测量范围小，最大流量与最小流量之比(即范围度)为 35:1。而在实际应用中，某些热用户的热负荷受季节及生产状况的影响，
2、其范围度往往会 远大于35：1，最有普遍性的是冬季流量大、夏季流量小。按冬季大流量设计的节流装置 在夏季流量小时，几乎计量不出。若选用涡街式流量测量装置，虽其测量范围度可达10：1 以上，但其传感器的稳定性和可靠性较差，故障率较高，尤其是在温度大于200以上时。 目前对于这种高温蒸汽的计量，普遍采用的办法有二种：一是按冬、夏季用汽量设计一套具 有二块节流件的节流装置，冬季用大流量节流件、夏季用小流量节流件；二是并列安装一大 一小两套节流装置。前者必须停汽更换节流件，繁琐而且需要停汽，影响用户生产 ；后者多一条管道、阀门和一套节流装置及二次仪表，不但成本较高，而且多次倒换阀门操 作后易产生阀门内
3、漏而使计量失准。用简单而有效的办法扩大节流装置的测量范围具有重要 意义。本文将依据国家标准GB/T262493用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流 量对扩大节流装置的测量范围的方法问题加以探讨。2 流量测量的基本原理 充满管道的流体在流经管道内的节流装置时，流束将在节流处收缩，使流速增加，静压力降 低，于是在节流件前后产生了静压力差(或称差压)。流体的流速越大，在节流件前后产生的 差 压也越大。根据该差压的实测值及流体的压力、温度实测值的测量，可以确定其质量流量。 按GB/T262493之规定，质量流量与差压的关系由下式确定： qm=C/(1-4)0.5/4d2(2P)0.5 =(/4)
4、d2(2P)0.5 (1)式中，qm为质量流量；为节流件内径与管道内径之比；C为流出系数；=C/(1-4)0.5为流量系数；为节流件上游流体的可膨胀性系数 ；d为工作状态下节流件的内径；P为节流件上、下游之静压差；为节流件上游流体的密 度。由孔板构成的节流装置的流出系数C由Stolz方程给出。当采用角接取压时：C=0.5959+0.03122.1-0.18408+0.00292.5(106/R eD)0.75 (2)式中，ReD为管道雷诺数，ReD=4qm/D；为流体动力 粘度；D为管道内径。当介质为可压缩流体时，计算可膨胀性系数的公式为：=1-(0.41+0.354)P/KP (3)式中，K
5、为流体的等熵指数；P为节流件上游的绝对静压。d=d20(1+d(t-20)D=D20(1+D(t-20)式中，d20、D20分别为20时的节流件和管道内径；d、D分别为节流 件和管道的线胀系数。质量流量的不确定度的计算公式为：qm/qm=(C/C)2+(/ )2+(24/(1-4)D/D)2+(2/1-4d/d)2+(1/2 /)2+(1/2P/P)2 )1/2 (4)由此可见，在一定的温度、压力范围内，其C(或者)、D、 的变化幅度较小，对qm的量程范围影响也较小，只有P的变化范围最大。不考虑其它因 素影响时qm(P)0.5，即P(qm)2。当qm变化3至5倍时，P变化9到25 倍。3 影响
6、流量测量范围的因素分析 我国有关标准规定，准确度为a量程为b的差压仪表，在全程范围内每一测点的最大误差为 ab/100，它等于标准偏差的3倍，即标准偏差P=ab/300,置信概率为95%的差压不确 定度为：P=2P=ab/150测量1/n倍上限流量时的差压为b/n2，此时差压测量的百分率不确定度为：P/P=an2/150=an2/1.5 (%)仅差压测量的不确定度引起流量测量的百分率不确定度(概率95%)为：(qm/qm)P=1/2(P/P)=an2/3 (%)不同a值、n值时差压的不确定度对流量不确定度(概率95%)的影响如表1所示。表1 差压不确定度引起的流量测量不确定度a/n123456
7、1.00.331.333.005.338.3312.00.50.170.671.502.674.176.000.250.080.330.751.332.083.000.200.070.270.601.071.672.40根据我国有关标准规定，蒸汽贸易结算用流量测量装置的系统测量不确定度为2.5%。由表 1可见，在置信概率95%、仅考虑差压测量的不确定度的情况下，节流装置测量质量流量的范 围度分别可达3：1(0.5级差变)、5：1(0.25级差变)和6：1(0.2级差变)。在对大量不同参数的孔板的验算实践证明，除差压测量不确定度外，式(4)中其余5项的平方 和不大于1。而一般补偿式流量二次仪表的
8、精度为0.5级，故考虑所有因素时流量测量的百分 率不确定度为：qm/qm=(1+0.52+(1/2P/P)2)1/2=(1.25+(1/2P/P)2)1/2 (5)不同a值、n值时质量流量测量的不确定度(概率95%)如表2所示。表2 考虑所有因素流量测量的百分率不确定度(%)a/n 1 2 3 4 5 6 1.0 1.17 1.74 3.20 5.45 8.41 12.1 0.5 1.13 1.30 1.87 2.89 4.31 6.10 0.25 1.12 1.17 1.35 1.74 2.36 3.20 0.20 1.12 1.15 1.27 1.55 2.01 2.65 由表2可见，在置
9、信概率95%测量的情况下，用一台差压测量仪表的节流装置质量 流量的范围度不应大于3：1(0.5级差变)或5：1(0.2和0.25级差变)。4 扩大节流装置流量测量范围的方法 节流式流量测量装置范围度小的根本原因是当质量流量降到一定值时，差压测量 的不确定度以平方倍急剧增大。当质量流量降到某一定值时比如最大流量的1/X(X的最大值 应根据差压测量仪表的准确度而选取35)，如果我们重新调整差压变送器的量程(或换一台 差压变送器)，使差压测量的上限值大约降到原来的1/X2，此时差压测量的标准偏差 P=ab/(300X2)。测量1/n倍原上限流量时，差压测量的不确定度引起流量测量的 百 分率不确定度为
10、(概率95%)：(qm/qm)P=an2/(3X2) (%)在置信概率95%的情况下，取a=0.5、X=3、n=9，则(qm/qm)P=1.5%，考虑所有因素时流量测量的百分率不确定度为：qm/qm=1.87% ，即0.5级差压测量仪表在测量上限流量的1/9时的流量百分率不确定度为1.87%；若取a=0 .2、X=5、n=25，则(qm/qm)P=1.67%，考虑所有因素时流量测量的百分 率不确定度 为：qm/qm=2.01%，即0.2级差压测量仪表在测量上限流量的1/25时的流量百分率不确 定度为2.01%。这样节流装置的范围度就由原来的35：1扩大到925：1。 由于低流量工况时的温度、压
11、力也会有所变化，所以节流装置的、d、都会随之变 化，需要重新计算。GB/T262493的附录E和附录G3中分别给出了在给定D、d和qm条件下 求 差压的迭代计算格式和计算机计算框图，借助于计算机编程，可迅速而准确地求出P，下 面举例说明。 已知某角接取压标准孔板测量过热蒸汽，工作绝压0.8MPa、温度250、最大流量60t/h、差 压上限60kPa，管道为20#钢D2O=412mm，查得密度=3.4105kg/m3、粘度=18.08 10-6Pa.s、等熵指数K=1.31、管道线胀系数D=12.7810-6/，按常用 流量qmc=42t/h(差压29.4kPa)设计计算的C=0.、=0.、=0
12、. 6，孔板材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢d20=229.09mm，测量范围为2060t/h。 现将最大流量改为30t/h、工作绝压0.8MPa、温度240，按常用流量21t/h计算，结果如下 ：ReD= C=0.=0. =0.dt=229.957mm =3.4858kg/m3PK=14.397kPa其中：PK差压上限。 即将差压变送器的量程调至014.397kPa，还可测量1030t/h范围内的流量，总的测 量范围为1060t/h，量程比扩大为6：1。 如果将最大流量改为20t/h、工作绝压0.8MPa、温度230，按常用流量14t/h计算，结果如 下：ReD= C=0.=0. =0.dt
13、=229.917mm =3.5652kg/m3PK=6.235kPa 即将差压变送器的量程调至06.235kPa，还可测量6.66720t/h范围内的流量，总的测量 范围为6.66760t/h，范围度扩大为9：1。 由以上两例我们可以看出，由于流量与差压的关系是开方关系，所以当流量范围度往下限方 向扩大X倍时，相应的差压则缩小约X2倍。因此，使用上述方法应注意在设计孔板时差压 不能取得太小。5 可行性论证与实施方案 为了进一步验证上述方法的可行性，假设不知道节流孔直径，用GB/T262493的附录E 、附录G2中给定D、P和qm条件下求节流孔直径的迭代计算格式和计算机计算框图编程计 算d20来
14、反证。 设计一角接取压标准孔板，测量过热蒸汽，工作绝压0.8MPa、温度240、最大流量30t/h、 差压上限14.397kPa，管道为20#钢D20=412mm，查得密度3.4858kg/m3、粘度17.65 10-6Pa.s、等熵指数1.31、管道线胀系数12.7810-6/，按常用流量qmc=21t/h、孔板材质按1Cr18Ni9Ti不锈钢计算，结果如下：ReD= C=0.=0. =0.=0. d20=229.087mm 同理，当工作绝压0.8MPa、温度230、最大流量20t/h、差压上限6.235kPa时的计算结果为 ：ReD= C=0.=0. =0.=0. d20=229.092mm 两种情况的计算结果均与前面的设计结果d20=229.09mm相吻合。由此可见，上述 扩大孔板范围度的方法是切实可行的。 对于流量变化不太频繁的场合(比如冬季采暖时流量大、采暖过后转为小流量，一年仅两次 倒换变送器的操作)，可采用重调差压变送器量程或更换变送器的办法。而对于流量变化频 繁 的场合比如一个月甚至一周都要来回倒换两次差压变送器并修改二次仪表的设置参数，用上 述办法不但繁琐，而且阀门的频繁操作易产生泄漏而影响计量，这时可采用一个取压口并列 安装一大一小两台差压变送器的办法如图1所示。 图1 差压变送
