管道積水對(duì)孔板流量計(jì)量裝置影響的分析
[摘 要] 在利用孔板流量計(jì)量裝置進(jìn)行煤氣流量計(jì)量時(shí),管道積水會(huì)改變孔板流量計(jì)量裝置的幾何特性,從而影響流量計(jì)量的準(zhǔn)確性。文章通過分析管道積水對(duì)孔板流量計(jì)流量方程中各參數(shù)的影響,得出管道積水對(duì)流量計(jì)量產(chǎn)生的影響,***后以工業(yè)上某實(shí)際孔板流量計(jì)量裝置定期放水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作驗(yàn)證。
被測(cè)介質(zhì)為濕煤氣的孔板流量計(jì)量裝置運(yùn)行一段時(shí)間后,拆卸孔板時(shí),會(huì)有水從測(cè)量管道中流出來,有時(shí)孔板上游端面還會(huì)有積水痕跡,說明孔板上游測(cè)量管道中會(huì)有積水。管道積水,會(huì)改變孔板流量計(jì)量裝置的幾何特性,從而影響流量計(jì)量的準(zhǔn)確性。一般,用來測(cè)量濕煤氣的孔板流量計(jì)量裝置建立在地面之上,而城市燃?xì)夤艿婪笤O(shè)于地下,這樣,孔板流量計(jì)量裝置高于城市燃?xì)夤艿?。裝置中,孔板上游測(cè)量管道較長(zhǎng)、煤氣壓力較高,下游測(cè)量管道較短、煤氣壓力較低; 孔板上游測(cè)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(cè)量管道產(chǎn)生積水。下游測(cè)量管道不易產(chǎn)生積水,即使下游產(chǎn)生少量積水,也會(huì)被流動(dòng)的煤氣挾帶進(jìn)入地下城市燃?xì)夤艿乐?。因此,研究管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響是十分必要的,本文從工業(yè)實(shí)際出發(fā),主要研究孔板上游測(cè)量管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響。
1、理論基礎(chǔ):
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是在已知流體狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流件尺寸和管道幾何尺寸的條件下,通過測(cè)得流體流經(jīng)孔板時(shí),在孔板前、后產(chǎn)生的差壓求得流體流量的。該差壓與流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系,這關(guān)系即為孔板流量計(jì)的流量方程[1]:
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是在已知流體狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流件尺寸和管道幾何尺寸的條件下,通過測(cè)得流體流經(jīng)孔板時(shí),在孔板前、后產(chǎn)生的差壓求得流體流量的。該差壓與流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系,這關(guān)系即為孔板流量計(jì)的流量方程[1]:
式中: qV為流經(jīng)孔板流量計(jì)的流體流量,m3/ s; d 為孔徑,m; C 為流出系數(shù),無量綱; ε 為可膨脹系數(shù),無量綱; β 為直徑比,孔徑 d 與管道內(nèi)徑 D 之比,即β = d / D,無量綱; Δp 為孔板前、后取壓孔處被測(cè)流體的差壓,Pa; ρ 為流體密度,kg /m3。
孔板流量計(jì)量裝置的測(cè)量特性決定于裝置的幾何特性和流體的流動(dòng)特性[2]。在流量測(cè)量范圍內(nèi),一定幾何特性的孔板流量計(jì)量裝置,流量與差壓之間具有確定的流量關(guān)系式。幾何特性改變,流量關(guān)系隨之改變。
孔板流量計(jì)量裝置在測(cè)量濕煤氣流量的實(shí)際應(yīng)用中,測(cè)量管道積水,使管道內(nèi)氣體實(shí)際流通截面積減小,裝置的幾何特性發(fā)生了改變,流量關(guān)系改變。按照安裝時(shí)的流量關(guān)系式得到的計(jì)量流量 ( 即流量示值) 與實(shí)際流量發(fā)生了偏離。這種偏離,正是本文所要研究的問題。
文獻(xiàn) [3] 中研究了孔板前管道積水對(duì)流量系數(shù)的影響。本文是在分析了管道積水對(duì)流量方程中各參數(shù)的影響的基礎(chǔ)上,得到測(cè)量管道積水后流量示值與實(shí)際流量之間偏離程度。
2、分析研究:
2. 1、管道積水對(duì)流量方程中各參數(shù)的影響:
由流量方程可見,流量 q 為 d、C、ε、β、Δp 和ρ 等 6 個(gè)參數(shù)的函數(shù),其中孔徑 d 為已知量,受工作溫度和材料熱膨脹系數(shù)的影響; 差壓 Δp 是孔板流量計(jì)量裝置實(shí)測(cè)量; 密度 ρ 取決于煤氣組分、工作溫度和工作壓力??梢?,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(cè)量管道積水對(duì)直徑比β、可膨脹系數(shù) ε 和流出系數(shù) C 的影響。
2. 1、管道積水對(duì)流量方程中各參數(shù)的影響:
由流量方程可見,流量 q 為 d、C、ε、β、Δp 和ρ 等 6 個(gè)參數(shù)的函數(shù),其中孔徑 d 為已知量,受工作溫度和材料熱膨脹系數(shù)的影響; 差壓 Δp 是孔板流量計(jì)量裝置實(shí)測(cè)量; 密度 ρ 取決于煤氣組分、工作溫度和工作壓力??梢?,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(cè)量管道積水對(duì)直徑比β、可膨脹系數(shù) ε 和流出系數(shù) C 的影響。
下面以某孔板流量計(jì)量裝置為例,通過具體計(jì)算,
來研究測(cè)量管道積水對(duì)流量方程中用于流量計(jì)算的各參數(shù)產(chǎn)生的影響。已知某孔板流量計(jì)量裝置測(cè)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(jié) 算 狀 態(tài) 為: 15. 5℃,101. 671k Pa。該計(jì)量裝置在溫度 t 為 35℃ 、相對(duì)濕度φ 為 100% 、壓力 p 為 60k Pa、差壓 Δp 為 9k Pa 時(shí),直徑比 β 為 0. 479629,可膨脹系數(shù) ε 為 0. 984971,流出系數(shù) C 為 0. 602500,
計(jì)量流量 qV為 38743m3/ h。分析中,以實(shí)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(duì)直徑比的影響:
孔板流量計(jì)量裝置測(cè)量管道中的積水是柔性的,在煤氣壓力的作用下,管道內(nèi)積水面會(huì)發(fā)生一定的彎曲。由于管道內(nèi)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(rèn)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(jīng)計(jì)算得到管道積水后,等效直徑比 β'為:
孔板流量計(jì)量裝置測(cè)量管道中的積水是柔性的,在煤氣壓力的作用下,管道內(nèi)積水面會(huì)發(fā)生一定的彎曲。由于管道內(nèi)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(rèn)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(jīng)計(jì)算得到管道積水后,等效直徑比 β'為:
圖 1 管道截面示意圖
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(cè) 量 管 道 直 徑,m; h 為 積 水 高度,m。
公式 ( 2) 是在測(cè)量管道積水時(shí),等效直徑比的計(jì)算公式。積水高度與等效直徑比的變化關(guān)系如圖 2。
圖 2 可見: 當(dāng)積水高度為堰高的 10% 時(shí),等效直徑比增大 0. 3553% ; 積水高度為堰高的 20% 時(shí),等效直徑比增大 1. 007% ; 積水高度為堰高的 50% 時(shí),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(duì)直徑比的影響圖
( 2) 管道積水對(duì)可膨脹系數(shù)的影響可膨脹系數(shù)的計(jì)算公式為:
式中: p1、p2為孔板前、后取壓孔處被測(cè)流體的壓力,Pa。
圖 3 管道積水對(duì)可壓縮系數(shù)的影響圖
管道積水高度與可膨脹系數(shù)的變化關(guān)系見圖 3。可知: 管道 積 水 使可 膨 脹 系數(shù) 減 小,并 且 影 響 很小
( 3) 管道積水對(duì)流出系數(shù)的影響國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料對(duì)于孔板在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的偏離標(biāo)準(zhǔn)的程度,皆用流出系數(shù)的偏差來衡量[4]??装迩肮艿婪e水會(huì)改變流出系數(shù)[5],下面看一下管道積水對(duì)流出系數(shù)的影響。ISO5167 - 2006 流出系數(shù)的計(jì)算公式采用里德 - 哈利斯/加拉赫公式:[4]
式中: C 為流出系數(shù),無量綱; β 為直徑比,無量綱;
ReD為管道雷諾數(shù),
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(jì)算管道積水后的實(shí)際流出系數(shù)和實(shí)際流量時(shí),應(yīng)以等效直徑比 β'代替直徑比 β、以實(shí)際可膨脹系數(shù) ε'代替可膨脹系數(shù) ε,可求出管道積水后相應(yīng)的 C'和q'V值。如圖 4 為積水高度對(duì)流出系數(shù)的影響。
圖 4 管道積水對(duì)流出系數(shù)的影響圖
圖 4 可見: 積水高度為堰高的 10% 時(shí),實(shí)際流出系數(shù)增加 0. 0102% ; 積水高度為堰高的 20% 時(shí),實(shí)際流出系數(shù)增加 0. 0289% ; 積水高度為堰高的 50%時(shí),實(shí)際流出系數(shù)增加 0. 1182% 。因此,孔板上游測(cè)量管道積水后,實(shí)際流出系數(shù)增大。積水高度越高,實(shí)際流出系數(shù)增大越顯著,呈現(xiàn)近似正向二次函數(shù)的關(guān)系。
2. 2、管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響:
在分析了管道積水對(duì)直徑比、可膨脹系數(shù)和流出系數(shù)等參數(shù)的影響之后,來看一看測(cè)量管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響。將管道積水后的各參數(shù)實(shí)際值分別代入流量方程,求出管道積水后的實(shí)際流量,并將其與計(jì)量流量 ( 流量示值) 作比較。
圖 5 為管道積水后,對(duì)于不同的積水高度,實(shí)際流量與計(jì)量流量 ( 流量示值) 的關(guān)系。圖中 δq =( q' - q ) /q × 100% ,其中: q' 為管道積水時(shí)的實(shí)際流量,q 為流量示值。
圖 5 管道積水對(duì)流量的影響
由圖 5 可見:
( 1) 測(cè)量管道積水后,實(shí)際流量大于計(jì)量流量( 流量示值) 。也就是說,與實(shí)際流量相比計(jì)量流量偏小。
( 2) 在計(jì)量流量 ( 流量示值) 不變的情況下,實(shí)際流量隨管道積水高度的升高而增大。積水高度越高,實(shí)際流量增大越顯著,亦呈現(xiàn)近似正向二次函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)積水高度為堰高的 10% 時(shí),實(shí)際流量增大0. 0492% ; 積水高度為堰高的 20% 時(shí),實(shí)際流量增大0. 1395% ; 積水高度為堰高的 50% 時(shí),實(shí)際流量增大 0. 5912% 。
( 2) 在計(jì)量流量 ( 流量示值) 不變的情況下,實(shí)際流量隨管道積水高度的升高而增大。積水高度越高,實(shí)際流量增大越顯著,亦呈現(xiàn)近似正向二次函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)積水高度為堰高的 10% 時(shí),實(shí)際流量增大0. 0492% ; 積水高度為堰高的 20% 時(shí),實(shí)際流量增大0. 1395% ; 積水高度為堰高的 50% 時(shí),實(shí)際流量增大 0. 5912% 。
當(dāng)計(jì)量流量為 38743m3/ h, 管道積水高度為堰高的 50% 時(shí), 實(shí) 際 流 量 與 計(jì) 量 流 量 的 偏 差 為0. 5912% ,一年以 365 天計(jì),實(shí)際流量增大了 200m3。因此,在貿(mào)易結(jié)算中,管道積水對(duì)流量的影響是不容忽視的。
3、實(shí)際數(shù)據(jù):
為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果,對(duì)某實(shí)際運(yùn)行中的人工煤氣孔板流量計(jì)量裝置定期放水,將放水前、后的計(jì)量流量作對(duì)比。先將由于用氣或供氣量發(fā)生變化,造成有明顯變化或波動(dòng)的流量數(shù)據(jù)予以剔除,對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行工況下,放水前、后計(jì)量流量的變化進(jìn)行分析。表 1中所取數(shù)據(jù)為: 穩(wěn)定的運(yùn)行工況下,放水前、后各10min 的平均時(shí)流量。
為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果,對(duì)某實(shí)際運(yùn)行中的人工煤氣孔板流量計(jì)量裝置定期放水,將放水前、后的計(jì)量流量作對(duì)比。先將由于用氣或供氣量發(fā)生變化,造成有明顯變化或波動(dòng)的流量數(shù)據(jù)予以剔除,對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行工況下,放水前、后計(jì)量流量的變化進(jìn)行分析。表 1中所取數(shù)據(jù)為: 穩(wěn)定的運(yùn)行工況下,放水前、后各10min 的平均時(shí)流量。
由表 1 可見: 在穩(wěn)定的運(yùn)行工況下,放水后計(jì)量流量大于放水前的計(jì)量流量。這表明: 測(cè)量管道積水使流量示值小于實(shí)際流量。由于這些數(shù)據(jù)是孔板流量計(jì)量裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)采集的流量數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)或多或少會(huì)受到環(huán)境或用戶的影響,但至少可以說明: 測(cè)量管道積水使計(jì)量流量 ( 即流量示值) 小于實(shí)際流量。
4、結(jié)論:
綜上可知,測(cè)量管道積水會(huì)導(dǎo)致計(jì)量流量 ( 流量示值) 減小,隨積水高度的升高,計(jì)量流量與實(shí)際流量之間偏離程度增大。貿(mào)易結(jié)算中,管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響是不容忽視的。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)特別注意定期排水。由于管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響是同一方向的,因此可考慮對(duì)管道積水引入的流量誤差予以修正,假定測(cè)量管道以相同速率積水,根據(jù)排水周期及積水量,對(duì)未來的流量影響值進(jìn)行預(yù)測(cè)或補(bǔ)償。
綜上可知,測(cè)量管道積水會(huì)導(dǎo)致計(jì)量流量 ( 流量示值) 減小,隨積水高度的升高,計(jì)量流量與實(shí)際流量之間偏離程度增大。貿(mào)易結(jié)算中,管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響是不容忽視的。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)特別注意定期排水。由于管道積水對(duì)流量計(jì)量的影響是同一方向的,因此可考慮對(duì)管道積水引入的流量誤差予以修正,假定測(cè)量管道以相同速率積水,根據(jù)排水周期及積水量,對(duì)未來的流量影響值進(jìn)行預(yù)測(cè)或補(bǔ)償。
另外,孔板流量計(jì)量裝置適用于單相穩(wěn)定流,本文的分析亦是基于單相穩(wěn)定流的前提下給出了管道積水對(duì)流量計(jì)量影響的結(jié)論。有時(shí),管道的積水會(huì)導(dǎo)致氣體流動(dòng)過程中形成脈動(dòng)流,脈動(dòng)流對(duì)流量計(jì)量的影響不在本文的研究范圍之內(nèi)。