摘要：對(duì)不滿足規(guī)定的多脈動(dòng)源形成的復(fù)雜脈動(dòng)流對(duì)孔板流童計(jì)的影響。結(jié)合實(shí)際情況提出了復(fù)雜脈動(dòng)流條件下孔板流童計(jì)計(jì)童誤差的估計(jì)方法,并通過對(duì)實(shí)際管道中復(fù)雜脈動(dòng)流的測(cè)試和分析,得出不同脈動(dòng)工況下孔板流黃計(jì)計(jì)童誤差范圍。
孔板流量計(jì)是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來測(cè)量氣體、液體和蒸汽流量應(yīng)用廣泛的一種流量儀表,據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),孔板流量計(jì)占流量儀表用量的60%一70%。雖然它存在阻力損失大,安裝時(shí)需要直管段較長等缺點(diǎn),但它具有結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,工作可靠,成本低,具有一定精度以及結(jié)構(gòu)已標(biāo)準(zhǔn)化,不需要單獨(dú)標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn),能滿足工程測(cè)量的需要。同時(shí),在設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用孔板流量計(jì)時(shí),又有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167為依據(jù),因此在實(shí)際工程中被廣泛的應(yīng)用。在大口徑煤氣管道的測(cè)量中,也將孔板作為首選儀表。
根據(jù)ISO5167的規(guī)定,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)孔板的一個(gè)很重要的前提條件之一,是管道中的介質(zhì)流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)。當(dāng)孔板應(yīng)用于脈動(dòng)流情況下時(shí),作為標(biāo)準(zhǔn)的ISO5167將不再適用。而且,由于脈動(dòng)流動(dòng)的影響,孔板流量計(jì)的流量示值會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1992年通過了技術(shù)報(bào)告儀ISO/跟TR3313《使用孔板、噴嘴或文丘利管測(cè)量管道中脈動(dòng)的流體流動(dòng)》圖,主要是針對(duì)單脈動(dòng)源形成的周期脈動(dòng)流,討論了孔板流量計(jì)測(cè)量脈動(dòng)流時(shí)應(yīng)遵循的一些指導(dǎo)原則,并指出了一定的脈動(dòng)幅值范圍內(nèi)流量計(jì)測(cè)量示值誤差的估計(jì)公式。
煤氣廠外輸煤氣管道中的流量計(jì)量問題時(shí),遇到的脈動(dòng)氣流是一種由多個(gè)脈動(dòng)源形成的,脈動(dòng)幅值較大的非正弦、無明顯周期性且受輸出端變化負(fù)載影響的復(fù)雜脈動(dòng)流動(dòng)。在運(yùn)用孔板流量計(jì)測(cè)量這種復(fù)雜脈動(dòng)氣流時(shí),如何估計(jì)其指示流量值的誤差范圍,這己超過廠技術(shù)規(guī)程ISO/跟TR3313中的規(guī)定。
經(jīng)過一年多的以ISO/跟TR3313為主要依據(jù),在理論分析的基礎(chǔ)上,提出了一種復(fù)雜脈動(dòng)流條件下孔板流量計(jì)示值誤差估計(jì)的工程實(shí)用方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,按這種方法估計(jì)的復(fù)雜脈動(dòng)流動(dòng)情況下的孔板流量計(jì)誤差與生產(chǎn)部門的長期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本相符。
一、脈動(dòng)流對(duì)孔板流量計(jì)影響的羞本原理
脈動(dòng)流對(duì)孔板流量計(jì)示值誤差的影響來自兩個(gè)方面:一是對(duì)孔板流量計(jì)一次元件產(chǎn)生的影響,即孔板流量計(jì)在測(cè)量脈動(dòng)流時(shí)所存在的原理上的誤差;二是對(duì)孔板流量計(jì)信號(hào)傳遞及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和流量計(jì)算方法所產(chǎn)生的影響(見圖l)。
從脈動(dòng)流條件下孔板(一次元件)響應(yīng)行為的研究中可以得到,在管道中的流動(dòng)為一維流動(dòng)的假設(shè)下,孔板對(duì)脈動(dòng)流的響應(yīng)可根據(jù)非穩(wěn)定流動(dòng)量方程和連續(xù)性方程導(dǎo)出比41:
式中
q(t)—管道中的被測(cè)流量信號(hào)
△P(t)—孔板兩側(cè)的差壓信號(hào)
ρ—流體密度
K1、K2—系數(shù)
其物理意義為：
①在脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)下,孔板流量計(jì)的基本特性沒有改變,即它的輸出△P(t)與輸人量q(t)之間仍然保持著均方根的關(guān)系。
②此時(shí)孔板兩側(cè)的差壓信號(hào)可視為兩部分組成:一部分是流體通過節(jié)流孔時(shí)遷移加速(Covnectioaccel-acecel)產(chǎn)生的差壓,在理想情況下這部分差壓與該瞬時(shí)脈動(dòng)流量質(zhì)量相同的流體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的差壓△P(t)。相同;另一部分是由于要克服流體慣性以實(shí)現(xiàn)流體瞬時(shí)加速,即dq(t)/dt引起的額外差壓△P(t)。所以,脈動(dòng)流產(chǎn)生的差壓為:
因此,用孔板測(cè)量脈動(dòng)流時(shí),其差壓輸出值會(huì)增大(對(duì)相同的平均流量而言),并產(chǎn)生流量示值正誤差,國外的研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一結(jié)論。
在滿足ISO/TR3313規(guī)定的阻尼和安裝條件的前提下,假定不考慮孔板流量計(jì)的二次儀表(包括差壓變送器和導(dǎo)壓管線)的誤差,且脈動(dòng)的瞬時(shí)差壓值是采用快速響應(yīng)的儀表直接在孔板處測(cè)得的,那么,對(duì)于不可壓縮流體,用上述方法測(cè)得的差壓值取時(shí)間平均值后,按ISO 5167給出的公式計(jì)算得到的流量值與實(shí)際的平均流量值之間將有一個(gè)正的系統(tǒng)誤差Er,并可按下列公式估計(jì)：
可以按下列公式估計(jì)流量示值誤差:
由于脈動(dòng)效應(yīng)在二次裝置(導(dǎo)壓管線、差壓變送器)會(huì)引起孔板流量計(jì)示值的隨機(jī)不確定性,特別是在二次裝置中差壓的進(jìn)步畸變,會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)算中孔板均方根校正的失敗。另一方面,孔板的流出系數(shù)在脈動(dòng)流狀態(tài)下的變化也會(huì)導(dǎo)致流最示值的附加不確定度。因此,采用孔板流量計(jì)測(cè)量脈動(dòng)流時(shí),不能直接應(yīng)用ISO 5167,必須先按照ISO/TR 3313的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),但安裝要求等仍應(yīng)滿足ISO 5167的規(guī)定。
二、實(shí)際輸送過程及測(cè)里系統(tǒng)
1.煤氣生產(chǎn)傳輸流程簡介
某煤氣廠煤氣的生產(chǎn)和傳輸過程如圖2所示。煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣,經(jīng)傳輸管路分別輸人和存儲(chǔ)在1“、2“、3”三個(gè)儲(chǔ)氣柜中。當(dāng)需要向城市煤氣管網(wǎng)(簡稱外網(wǎng))供氣時(shí),可根據(jù)需要,同時(shí)開啟不同臺(tái)數(shù)的往復(fù)式活塞壓縮機(jī),將儲(chǔ)氣柜中的煤氣抽出,壓縮后排人匯流管和采集管,然后分別從南、北兩條直徑為630n二的管線送人城市管網(wǎng)。
2.煤氣流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)
計(jì)量煤氣流量的2臺(tái)孔板流量計(jì)分別安裝在南、北管線_L,與孔板配套的2臺(tái)差壓變送器被安裝在管道一側(cè)的儀表箱內(nèi),差壓變送器的輸出信號(hào)通過導(dǎo)線接到安裝在控制室內(nèi)的二次儀表。
該煤氣廠現(xiàn)有的煤氣流量計(jì)量儀表系統(tǒng),按其功能分成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換和流量積算打印三個(gè)部分,圖3為計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖3中,現(xiàn)場(chǎng)流量檢測(cè)采用可換孔板節(jié)流裝置,該裝置能確�？装逶诠艿乐械拇怪倍群屯亩确蠂覙�(biāo)準(zhǔn)。信號(hào)轉(zhuǎn)換部分應(yīng)用K系列差壓變送器。流量積算儀和打印部分采用大量程比質(zhì)量流量儀,該儀表能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力、溫度、雷諾數(shù)進(jìn)行在線補(bǔ)償,其鼠程比為1:01,高于常規(guī)質(zhì)量流量儀表。其采樣時(shí)間為每10胖采個(gè)數(shù),連續(xù)采8路(每路采10次)然后取平均,計(jì)算周期為5。
此外,煤氣的成分分析、含水量及灰塵雜質(zhì)等數(shù)據(jù)的測(cè)量,由專門工作人員按規(guī)定的抽樣檢驗(yàn)時(shí)刻完成。
3.煤氣輸送管道中的煤氣流動(dòng)狀況
該煤氣廠煤氣輸送管道中的煤氣流動(dòng)是一種復(fù)雜的脈動(dòng)流動(dòng)工況。圖4、圖5反映了流速的脈動(dòng)狀況。
對(duì)于不同工況下的脈動(dòng)流動(dòng),除廠排出流量的大小不同以外,所產(chǎn)生的脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)幅值也都有所區(qū)別。從實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果來看,隨著開機(jī)臺(tái)數(shù)的增加,脈動(dòng)頻率逐漸升高,脈動(dòng)幅值逐步降低。
通過實(shí)際測(cè)試還可以得到,在不同的季節(jié)和開機(jī)狀態(tài)下,外網(wǎng)負(fù)載(壓力)也發(fā)生變化,其變化范圍為0.05~0.14MPa,變化幅值達(dá)到土50%。
當(dāng)外網(wǎng)負(fù)載變化時(shí),由多脈動(dòng)源形成的復(fù)雜脈動(dòng)流的波形也有所變化。除了隨著外網(wǎng)負(fù)載的變化,壓縮機(jī)的開機(jī)工況不同外,在同一工.況情況卜,壓縮機(jī)的工作狀態(tài)也發(fā)生變化,隨著外網(wǎng)負(fù)載壓力的升高.壓縮機(jī)的一工作效率降低,排氣城減少,針道中流體脈動(dòng)的頻率和幅值也都隨之發(fā)生變化.
三、煤氣輸送管道中脈動(dòng)流動(dòng)的測(cè)量
對(duì)孔板在復(fù)雜脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)卜的響應(yīng)行為進(jìn)行分析時(shí),可以得到流體運(yùn)動(dòng)學(xué)最基本的非穩(wěn)定流的動(dòng)吊-方程和連續(xù)性方程仍然成立。因此,在討論孔板前后取壓孔之間的差壓信號(hào)△p(t)與被測(cè)脈動(dòng)流鼠q(t)之間的關(guān)系時(shí),做如下假設(shè),即
①在流體流過孔板時(shí),仍被認(rèn)為是維流動(dòng);仁)在全部復(fù)雜脈動(dòng)流動(dòng)過程中,流體的流線形狀不發(fā)生改變、根據(jù)這些假設(shè),對(duì)于不可壓縮流體,從兩個(gè)基本方程出發(fā)差服信號(hào)△p(t)與被測(cè)脈動(dòng)流量q(t)之間關(guān)系可以用公式表示:
由此，可以得到：
在復(fù)雜脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)下,描述孔板的非定常流動(dòng)的基本方程沒有發(fā)汁改變,即它的輸出量△p(t)與輸入量q(t)之問仍然保持均方根關(guān)系,并同樣受到脈動(dòng)流狀態(tài)卜,流體的瞬時(shí)慣性作川和流辰系數(shù)變化的影響。
②ISO/TR3313中所討論的單一脈動(dòng)源、周制期性脈動(dòng)流的情況相比發(fā)生變化、在復(fù)雜脈動(dòng)流的狀況下,式(10)中的系數(shù)人,所代表的瞬時(shí)慣性的影響和K2所代農(nóng)的流量系數(shù)變化的影響也就不同了。
.在分析煤氣廠外輸煤氣針道中復(fù)雜脈動(dòng)流測(cè)量誤差范圍時(shí),主要考慮以卜兩個(gè)方面:
任何周期信號(hào)均可用傅立葉分析的方法，分解成若干個(gè)周期信號(hào)之和，非周期脈動(dòng)對(duì)孔板流量計(jì)輸出差壓信號(hào)的影響，可以看做是若干個(gè)單一頻率周期脈動(dòng)的作用之和（條件是基頻響應(yīng)遠(yuǎn)大于其它諧波分量影響）。
②利用現(xiàn)場(chǎng)存在獨(dú)立的質(zhì)量流量參考系，即用時(shí)間容積+密度的測(cè)量方法可以確定被壓縮機(jī)抽取的煤氣質(zhì)量流量（穩(wěn)態(tài)值），為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)提供“點(diǎn)”檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其它各種因素（包括二次儀表、流量系數(shù)變化等）造成疊加誤差和計(jì)算中帶來的誤差進(jìn)行校正。
根據(jù)以上描述，以ISO/TR3313為主要參考，提出一種工程實(shí)用方法來估計(jì)該孔板流量計(jì)測(cè)量復(fù)雜脈動(dòng)流時(shí)所產(chǎn)生的附加誤差。
用孔板測(cè)量差差壓脈動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程，進(jìn)而確定脈動(dòng)幅度。
②對(duì)差壓△p(t)信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析,確定脈動(dòng)信號(hào)的基頻和其它各次諧波及相應(yīng)的幅值。
③關(guān)于實(shí)際煤氣管網(wǎng)變負(fù)載的影響,采取在線監(jiān)測(cè)、補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒�。這樣可以認(rèn)為,孔板流量計(jì)的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)是在相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)載條件下測(cè)量脈動(dòng)流。
④取現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定得到的不同臺(tái)壓縮機(jī)的平均排氣量,作為不同脈動(dòng)狀況下管道中煤氣的平均流量(即穩(wěn)態(tài)流量值),進(jìn)而計(jì)算得到穩(wěn)定差壓值△ps。
⑤運(yùn)用ISO/TR3313中的誤差估計(jì)公式,對(duì)孔板流量計(jì)的示值誤差進(jìn)行估算,得出一、二、三、四臺(tái)機(jī)工作時(shí)各自對(duì)應(yīng)的流量顯示值誤差ET。
⑥在現(xiàn)場(chǎng)的儀表測(cè)量取多次平均結(jié)果的前提下,將現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)二次儀表的指示值Qv(標(biāo)方)與壓縮機(jī)的平均輸出流量值QS相比較,可以得到現(xiàn)場(chǎng)流量儀表的示值誤差Ev。
⑦以現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣柜為標(biāo)準(zhǔn)容積,采用時(shí)間一容積法對(duì)壓縮機(jī)抽取氣體質(zhì)量流量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定,以作為上述誤差估計(jì)方法的“點(diǎn)”校驗(yàn).
四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
1.管道中煤氣氣流脈動(dòng)狀況
根據(jù)ISO/TR3313中的要求,主要討論以下幾個(gè)基本參數(shù):
①脈動(dòng)幅值
在現(xiàn)有條件下,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算可以得到不同脈動(dòng)工況下,差壓脈動(dòng)幅值的變化范圍,如表l所不。
從表l可以得到,外輸煤氣管道中差壓脈動(dòng)的幅值均已超過ISO/TR3313中規(guī)定的脈動(dòng)流動(dòng)與穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)別的闞值。因此,對(duì)于各種開機(jī)工況,均應(yīng)作為脈動(dòng)流動(dòng)來考慮。
從表2可以得到,不同脈動(dòng)工況下流速的脈動(dòng)諧波頻率集中在較低頻的范圍。因此可以認(rèn)為,外輸煤氣管道中氣體的脈動(dòng)流動(dòng)屬于低頻范圍的復(fù)雜脈動(dòng)流動(dòng)。
2.流量示值誤差
根據(jù)實(shí)測(cè)的差壓值,以在1個(gè)大氣壓、0℃狀態(tài)下,管道壓力為0.1MPa左右時(shí),現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的壓縮機(jī)排氣量87m3/min為穩(wěn)態(tài)流量值,按ISO/TR3313中公式進(jìn)行計(jì)算的脈動(dòng)誤差如表3所示。
如果考慮按不同的開機(jī)臺(tái)時(shí)比例計(jì)算綜合流量示值誤差為:
根據(jù)實(shí)際開機(jī)臺(tái)時(shí)統(tǒng)計(jì),假設(shè)l、2、3、4臺(tái)機(jī)的開機(jī)時(shí)間比為0.5:4:1:4.5,則其總綜合流量示值誤差為:17.5%一22.5%。
3.實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果
根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,現(xiàn)有計(jì)量儀表系統(tǒng)的平均煤氣計(jì)量與壓縮機(jī)累積臺(tái)時(shí)(壓縮機(jī)排氣量以90m3/min計(jì)算)相比,分別相差13.56%和13.2%一19.2%,換算到壓縮機(jī)排氣量(以87m3/min計(jì)算)時(shí),則相差比例如表4所示。
五、結(jié)論
通過對(duì)煤氣廠輸氣管線中脈動(dòng)流動(dòng)對(duì)孔板流量計(jì)計(jì)量影響的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析,可以得到,現(xiàn)有的流量計(jì)量誤差,主要是孔板流量計(jì)工作在脈動(dòng)流狀態(tài)時(shí),其本身的工作條件發(fā)生變化的結(jié)果。也就是說,即使儀表本身工作完全正常,在脈動(dòng)流狀態(tài)下由儀表組成的測(cè)量系統(tǒng)同樣會(huì)產(chǎn)生明顯的流量示值誤差。
通過對(duì)多脈動(dòng)源、非周期、高幅值脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)下孔板流量計(jì)示值誤差估計(jì)的研究所提出的工程實(shí)用方法,對(duì)煤氣廠外輸煤氣管道中煤氣流量計(jì)量誤差的估計(jì),具有一定的幫助作用。
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