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差压式流量计的工作原理及选型


文章日期:2018-01-17|阅读数:


摘要:差压式流量计是目前比较广泛的差压式流量计种类之一,它具有结构简单,应用范围广,便于维修,且标准件便于生产等特点,因而广泛的应用于石油石化行业。文章主要浅析了差压式流量计的工作原理和选型,为今后差压式流量计的选型和优化提供一定的理论依据。

  差压式流量计是一种根据安装于管道中的流量检测元件产生的差压,以及流体的类型和管道的综合尺寸因素等来计量流量的流量计。它通常由一次装置(也就是流量检测件)和二次装置(差压转换器和流量转换器)组成。通常用的一次装置有孔扳流量计、文丘管流量计及均速管流量计等,二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器和流量显示及计算仪表等装置[1]。它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞大的一大类仪表。差压式流量计既可以用于流量参数的测量也可以用于其它参数如密度,压力等物理参数的测量。

 通常我们把安装于管道中流量检测件称为一次装置,特一般有节流件,取压装置和前后直管段组成,二次装置也成为显示仪表, 它通常由差压信号管路和测量中所需要的仪器仪表组成。
图 1  差压式流量计组成示意图

1  差压式流量计组成示意图
  差压式流量计应用历史比较广泛,实践经验也比较成熟,且制定的规程和和标准也比较规范,品种比较齐全的流量计,二十世纪 50 年代它是可以测量天然气的流量计[2]。经过许多年的发展它的技术更加成熟,一次装置和二次装置也更加的先进,估计今后此类流量计仍将占据重要的地位。

  差压式流量计的应用比较广泛,在封闭的管道中测量流量对流体介质的要求不高且能适应比较恶劣的现场测量环境,测量精度也比较高,因此在各行各业应用都比较的广。如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几毫米到几米;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的 50 %~60 %[3]。

1、差压式流量计的测量原理分析:
  流体在流经节流件时由于流体被压缩流体将被加速,由于流体的速度增加导致流体的动能也会相应的增加,按照能量守恒的定律我们知道被加速处流体的静压力会减低相应的数值[4]。
图 2  差压流量计工作原理图

2  差压流量计工作原理图
  如图 2 所示:管道在横截面 1 处的横截面积是 A1,流体在流经横截面 A1 时的平均流速是 V1,其密度是 ρ1,;当流体流过横截面 2 时,流体的平均流速变为是 V2,密度是 ρ2,横截面积是 A2,根据流体流动连续性原理有如下关系式:V1A1ρ1= V2A2ρ2,如果流体是液体,在压缩前后流体的密度一般认为是恒定的,即 ρ1=ρ2=ρ
因此液体的体积流量:  
qv= V1A1= V2A2           (1)
根据别努利方程(即能量守恒定律),在水平管道上 Z1=Z2,
则有如下关系式:            
  ρ1V12     ρ1V2 2   (2)
p1 + 2   = p2 +   2      
                 
应用别努利方程和流动连续性原理,在两个横截面上则有如
下关系式:                  
P = P - P = ρ1 [V 2 - V 2 ] (3)
  1 2 2   2 1  
由(1)式,得            
             
V 1 =   A2 V              
  A              
    2              
  1                  
将(1)式和(2)式带入(3)式可得:  
P = ρ1 [1- ( A2 )2 ]V 2   (4)
   
  2     A1     2    
                 
在上式中:
 
A1 = p 4D2  A2 = p4d2
 
根据直径比 β 的定义:
b = Dd
 
由(1)式可得:
V = qv                          
                                   
2                                  
      A2                          
                                 
所以:                          
      r1 é                 q2v    
DP =       b 4 ù      
    ë1 -     û        
  a         A22      
由此可以得出理论的流量公式:    
      1     π           2  P (5)  
qv =           d 2          
      1- β4     4           ρ1    
又由流出系数 C 的定义是:C=实际流量/理论流量,***后可  
得出节流式差压流量计普遍适用的实际流量公式:    
      ce       p         2DP (6)  
                      4      
qv =           4 d     r    
    1- b 4              
                          1    
ε 被测介质的可膨胀性系数,一般来说对于液体 ε=1;对气体、  
   
蒸汽等可以压缩流体 ε<1;qv 流体的体积流量,(m3/S);ρ1——工  
作状况下,节流件(前)上游处流体的密度,(kg/m3);d 工作状况下  
节流件的等效开孔直径,(m);△P—差压,△P=P1-P2,(Pa)。

2、差压式流量计的选型:
  差压式流量计的选型应考虑以下几个方面:
 
2.1 、度、重复性、线性度、流量范围和范围度:
  差压式流量计的标准件有严格的使用范围,包括管径直径比,雷诺系数,管壁厚度等参数,因此在实际的选择和应用中应该合理的选择这一系列参数。此外差压式流量计的精度在很大程度上取决于现场的使用条件,在一般情况下取决于流体的条件。
 
2.2、流体的特性:
  流体的特性指的是流体的密度、动力黏度、压力、温度、腐蚀性、磨蚀、结垢、脏污等流体的介质条件。因此在选择是应根据现场流体介质的物理特性合理的选择的差压式流量计,在不明白现场流体的物理特性的情况下应该主动使用仪器测量这些物理参数。
 
2.3、经济因素方面:
  应考率差压式流量计的采购费用,安装费用以及安装后,后期的维护费用,校验费用。荣大口径的差压式流量计后期的运行费用是一笔比较大的开销,因此在选型时应该选择合适的口径的差压式流量计。
 
2.4、压力损失:
  压力损失大事差压式流量计的主要缺点之一。各类节流装置中孔板和喷嘴是压损较大的节流件,在同样的流量及 β 值时喷嘴的压损只为孔板压损的 30 %~50 %,也就是说喷嘴是较低压损的。
  各种流量管(文丘里管、道尔管、罗洛斯管、通用文丘里管等)则是低压损的节流装置,它们压损仅为孔板的 20 %,甚至低达 5%~10 %。这些节流装置的开发应用是今后一个努力方向。
 
3、结束语:
  差压式流量计是使用数量比较多的流量计种类之一,本文浅析了差压式流量计的工作原理和选型,为今后差压式流量计的选择和使用提供了一定的理论借鉴基础。


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