摘要：針對(duì)流量計(jì)在測(cè)量氣體和蒸汽流量時(shí)需對(duì)溫度、壓力補(bǔ)償?shù)膯栴}，根據(jù)各流量計(jì)的測(cè)量原理不同，選擇合適的測(cè)溫點(diǎn)和測(cè)壓點(diǎn)位置對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。分析了幾種流量計(jì)溫度、壓力補(bǔ)償?shù)哪康囊约皽囟�、壓力參�?shù)的測(cè)量要求，提出了測(cè)溫口、測(cè)壓口開口位置的合理選擇。提供了利用焦耳－湯姆遜系數(shù)計(jì)算上下游溫差的實(shí)例。
不同原理的流量計(jì),流體溫度和壓力的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響各不相同,因此在測(cè)得流體的溫度和壓力后,要按規(guī)定的關(guān)系式進(jìn)行補(bǔ)償。流體在管道內(nèi)流動(dòng),由于流量傳感器、各種阻流件的影響,在管道的不同部位測(cè)得的溫度和壓力值也會(huì)有很大差異,因此用作流量測(cè)量溫，度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量點(diǎn)的位置也有明確規(guī)定,不能隨意確定。
下面以幾種典型流量計(jì)為例，論述流量測(cè)量中溫度壓力檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的有關(guān)問題。
1渦街流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
1.1 渦街流量計(jì)工作原理
在流體流動(dòng)的管道中設(shè)置1個(gè)旋渦發(fā)生體(阻流件),于是在發(fā)生體下游就會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,這種旋渦稱為卡曼渦街，該旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流速成正比關(guān)系。由于旋渦流量傳感器的流通截面積是1個(gè)常數(shù),因此旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流體體積流量成正比1-2]，如式（1）所示：
式中:qvf--旋渦發(fā)生體出口的工況體積流量，m3 /h;?--旋渦頻率,P/s;Kt--工作狀態(tài)下流量系數(shù),1/m3。
1.2溫度壓力補(bǔ)償?shù)哪康?br />
1.2.1 氣體流量測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償
在氣體流量測(cè)量中,測(cè)得工作狀態(tài)體積流量不是最終目的，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量才是最終目標(biāo)。由工作狀態(tài)體積流量到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量的換算，一般在流量演算器中完成,其依據(jù)如式(2)[3]:
式中: qvt--工況條件下的體積流量，m3/h;qvn--標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量,m3/h;pf,pn--工作狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體絕對(duì)靜壓，MPa, pn=0.101 325 MPa;Tf,Tn--工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體熱力學(xué)溫度,K,Tn= 293.15 K;Zf,Zn- -工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)。
在式(2)中,Zf和Zn一般由流量演算器按設(shè)計(jì) 好的程序自動(dòng)計(jì)算得到[4],qv由式(1)計(jì)算得到，而pf和Tf則必須經(jīng)實(shí)測(cè)得到。
1.2.2蒸汽流量測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償
在蒸汽流量測(cè)量中，雖然也有溫度壓力補(bǔ)償，但補(bǔ)償?shù)囊饬x與式(2)完全不同[3]
用渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量的系統(tǒng)中，測(cè)量的目的是得到蒸汽質(zhì)量流量值,如式(3)所示:
式中: q,m質(zhì)量流量,kg/h;ρf一工況條件下的旋渦發(fā)生體出口蒸汽密度,kg/m3,可通過查蒸汽密度表得到
1)對(duì)于過熱蒸汽，可由流量演算器按式(4)自動(dòng)查蒸汽密度表得到:
由于蒸汽的狀態(tài)隨溫度壓力參數(shù)而變化,因此有些蒸汽流量計(jì)安裝地點(diǎn)的蒸汽狀態(tài)難以確定,有時(shí)處于過熱狀態(tài),有時(shí)處于飽和狀態(tài)。白天管道內(nèi)流速高,處于過熱狀態(tài);夜間管道內(nèi)流速低,進(jìn)入飽和狀態(tài)。這時(shí),應(yīng)對(duì)其溫度壓力都進(jìn)行測(cè)量,由流量演算器自動(dòng)判斷，如果處于過熱狀態(tài)，則儀表自動(dòng)轉(zhuǎn)向根據(jù)式(4)查過熱蒸汽密度表;如果已進(jìn)入飽和區(qū)間，則儀表自動(dòng)轉(zhuǎn)向按式(5)查飽和蒸汽密度表。
利用蒸汽的溫度壓力參數(shù)自動(dòng)判斷蒸汽處于過熱狀態(tài)還是飽和狀態(tài),原理如圖1所示[3]。關(guān)鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線的下方還是上方，如果落在下方，則為過熱狀態(tài);如果落在上方，則為飽和狀態(tài)。
在這種情況下,一般壓力測(cè)量精度高,查表得到的密度值的精度也比較高,因此通常采用式(5)求取密度,式(6)一般不采用。
1.3溫度壓力測(cè)量點(diǎn)位置的選取
氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過渦街流量傳感器時(shí),都會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。因此,在管道上不同位置開口測(cè)流體的絕對(duì)靜壓,得到的結(jié)果也不同。在旋渦發(fā)生體上游處，靜壓最高;在旋渦發(fā)生體流速最高處,靜壓最低,再往下游,靜壓會(huì)有少許恢復(fù)。
旋渦發(fā)生體前后的永久性壓降，計(jì)算公式如式(7)所示:
式中:△p-旋渦發(fā)生體前后壓降,Pa;?--介質(zhì)流速,m/s.
以旋渦流量計(jì)為例,不同型號(hào)流量?jī)x用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏囟葔毫y(cè)量點(diǎn)的安裝位置有不同的要求。壓力測(cè)點(diǎn)到旋渦發(fā)生體的上限距離與下限距離有很大差異。從3.5D~5.5D到3.5D~ 7.5D,使設(shè)計(jì)人員犯難,因此研究該距離對(duì)儀表的準(zhǔn)確安裝有重要意義。
仔細(xì)研究橫河渦街產(chǎn)品的發(fā)展歷史,在*CD型儀表發(fā)展階段，渦街流量計(jì)最小通徑只能做到DN25,對(duì)于DN25渦街產(chǎn)品,5.5D即為138 mm,在法蘭下游的管道上開取壓口,在工程上還是可行的。但到了*D型儀表發(fā)展階段,最小通徑可達(dá)到DN15，同樣是5.5D，但對(duì)應(yīng)的尺寸變?yōu)?3 mm,要在如此短的距離上開取壓口,需要放寬距離以滿足工程中的需求。無論哪種情況,實(shí)際上兩者本質(zhì)上是一致的。
2差壓流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)
差壓式流量計(jì)的種類很多，下面以使用最多的標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)為例，說明溫度壓力測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)
2.1差壓流量計(jì)工作原理
差壓流量計(jì)工作原理如式(8)所示:
式中: C———流出系數(shù);β———直徑比，β= d/D;D———管道內(nèi)徑,m;d--工作條件下節(jié)流件的開孔直徑,m;ε1一-節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù);ρ1一節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度,kg/m3。
差壓流量計(jì)的本質(zhì)是質(zhì)量流量計(jì)，在式(8)中,沒有出現(xiàn)溫度和壓力這兩個(gè)變量,但應(yīng)用這種流量計(jì)測(cè)量氣體和蒸汽的流量時(shí)，流體溫度和壓力的變化，會(huì)使式中的密度ρ1產(chǎn)生變化,進(jìn)而影響流量示值。
對(duì)于組分穩(wěn)定的氣體,可用式(9)計(jì)算:
式中:p1--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體壓力，MPa; pn--氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，取值為0.101 325 MPa;Tf1--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體溫度，K; Z f1一工作狀態(tài)下氣體壓縮系數(shù),純數(shù);Pn標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體密度,kg/ m3。
對(duì)蒸汽來說,可用式(10)由流量演算器自動(dòng)查表的方法得到ρ1[5]
毫無疑問，式(9)和式(10)都表明，壓力取自正端取壓口,在具體實(shí)施時(shí)也比較方便,難的是正端取壓口處的流體溫度的測(cè)量。
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定,一般可以假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想流體,而又需要計(jì)量準(zhǔn)確，且上游取壓口和一次裝置下游測(cè)溫處又存在較大的壓力損失，則假設(shè)兩點(diǎn)之間是等焓膨脹,必須根據(jù)下游溫度計(jì)算上游溫度。對(duì)于孔板計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算壓力損失Δ?。
式中: T--絕對(duì)(熱力學(xué))溫度;p--流經(jīng)管道的流體靜壓; H--焓; Ro--通用氣體常數(shù);Cm,P --定壓摩爾比熱容;Z--壓縮系數(shù)。
3渦輪流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
渦輪流量計(jì)用來測(cè)量氣體流量時(shí),也需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量.
3渦輪流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
渦輪流量計(jì)用來測(cè)量氣體流量時(shí),也需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量。
該換算所依據(jù)的公式與式(2)相同,但是由于測(cè)量原理的不同，測(cè)壓點(diǎn)的位置有很大的差別。GB/T 21391- 2008《用氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》給出了渦輪流量計(jì)在管道上典型的安裝圖[9]]。同時(shí)在文字描述中規(guī)定,渦輪葉輪處的靜壓測(cè)壓口至少要有1個(gè)，孔徑范圍在3~ 12 mm。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定,溫度傳感器應(yīng)安裝在葉輪的下游端，其離葉輪的距離應(yīng)小于5D,伸入管道公稱通徑約33%處,但長(zhǎng)度不能超過150 mm。
4結(jié)束語
1)用來測(cè)量氣體和蒸汽流量的流量計(jì),除了個(gè)別的流量計(jì)之外，都需進(jìn)行流體溫度、壓力補(bǔ)償。由于流體種類的不同,補(bǔ)償?shù)哪康囊膊槐M相同;由于溫度和壓力的變化,對(duì)不同原理流量計(jì)的影響不相同,因此測(cè)溫點(diǎn)和測(cè)壓點(diǎn)位置也有不同的要求,只有合理地確定這些位置,才有可能準(zhǔn)確地補(bǔ)償。
2)渦街流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓口，宜選在旋渦發(fā)生體下游的直管段上，應(yīng)盡可能靠近流量計(jì),但應(yīng)便于施工和維修(不能選在旋渦體上游的直管段上)。測(cè)溫口應(yīng)選在測(cè)壓口下游150~200 mm處。
3)差壓流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓點(diǎn)，應(yīng)選在差壓正端取壓口處;測(cè)溫點(diǎn)一般選在差壓裝置下游5D~15D處,并假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。如果是非理想氣體，而又需要計(jì)量正確，且上游取壓口和差壓裝置下游測(cè)溫處又存在較大的壓力損失，則可采用焦耳一湯姆遜系數(shù)計(jì)算.上游取壓口到下游溫口處的相應(yīng)溫差△T。
4)基于絕熱膨脹等焓變化的原理,利用蒸汽性質(zhì)表,可方便地求取適用于蒸汽的焦耳一湯姆遜系數(shù)。
5)渦輪流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓點(diǎn)，宜設(shè)在渦輪葉輪前取壓口處;測(cè)溫口應(yīng)選在葉輪下游段,離葉輪的距離應(yīng)小于5D。
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