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管道积水对孔板流量计量装置影响的分析


文章日期:2018-02-22|阅读数:


[摘 要] 在利用孔板流量计量装置进行煤气流量计量时,管道积水会改变孔板流量计量装置的几何特性,从而影响流量计量的准确性。文章通过分析管道积水对孔板流量计流量方程中各参数的影响,得出管道积水对流量计量产生的影响,***后以工业上某实际孔板流量计量装置定期放水的实验数据作验证。
  被测介质为湿煤气的孔板流量计量装置运行一段时间后,拆卸孔板时,会有水从测量管道中流出来,有时孔板上游端面还会有积水痕迹,说明孔板上游测量管道中会有积水。管道积水,会改变孔板流量计量装置的几何特性,从而影响流量计量的准确性。一般,用来测量湿煤气的孔板流量计量装置建立在地面之上,而城市燃气管道敷设于地下,这样,孔板流量计量装置高于城市燃气管道。装置中,孔板上游测量管道较长、煤气压力较高,下游测量管道较短、煤气压力较低; 孔板上游测量管道中,煤气在逼近孔板的冲击压力的影响下,易使孔板上游测量管道产生积水。下游测量管道不易产生积水,即使下游产生少量积水,也会被流动的煤气挟带进入地下城市燃气管道中。因此,研究管道积水对流量计量的影响是十分必要的,本文从工业实际出发,主要研究孔板上游测量管道积水对流量计量的影响。

1、理论基础:
  标准孔板流量计是在已知流体状态、标准孔板节流件尺寸和管道几何尺寸的条件下,通过测得流体流经孔板时,在孔板前、后产生的差压求得流体流量的。该差压与流量之间有确定的数值关系,这关系即为孔板流量计的流量方程[1]:
计算公式
  式中: qV为流经孔板流量计的流体流量,m3/ s; d 为孔径,m; C 为流出系数,无量纲; ε 为可膨胀系数,无量纲; β 为直径比,孔径 d 与管道内径 D 之比,即β = d / D,无量纲; Δp 为孔板前、后取压孔处被测流体的差压,Pa; ρ 为流体密度,kg /m3。
  孔板流量计量装置的测量特性决定于装置的几何特性和流体的流动特性[2]。在流量测量范围内,一定几何特性的孔板流量计量装置,流量与差压之间具有确定的流量关系式。几何特性改变,流量关系随之改变。
  孔板流量计量装置在测量湿煤气流量的实际应用中,测量管道积水,使管道内气体实际流通截面积减小,装置的几何特性发生了改变,流量关系改变。按照安装时的流量关系式得到的计量流量 ( 即流量示值) 与实际流量发生了偏离。这种偏离,正是本文所要研究的问题。
  文献 [3] 中研究了孔板前管道积水对流量系数的影响。本文是在分析了管道积水对流量方程中各参数的影响的基础上,得到测量管道积水后流量示值与实际流量之间偏离程度。
 
2、分析研究:
2. 1、管道积水对流量方程中各参数的影响:
  由流量方程可见,流量 q 为 d、C、ε、β、Δp 和ρ 等 6 个参数的函数,其中孔径 d 为已知量,受工作温度和材料热膨胀系数的影响; 差压 Δp 是孔板流量计量装置实测量; 密度 ρ 取决于煤气组分、工作温度和工作压力。可见,d、Δp 和 ρ 值不受管道积水的影响,不予分析。以下主要分析测量管道积水对直径比β、可膨胀系数 ε 和流出系数 C 的影响。
  下面以某孔板流量计量装置为例,通过具体计算,
来研究测量管道积水对流量方程中用于流量计算的各参数产生的影响。已知某孔板流量计量装置测量管道的直径 D 为 699. 31mm,孔径 d 为 335. 382mm。取 压 方 式 为 径 距 取 压。 结 算 状 态 为: 15. 5℃,101. 671k Pa。该计量装置在温度 t 为 35℃ 、相对湿度φ 为 100% 、压力 p 为 60k Pa、差压 Δp 为 9k Pa 时,直径比 β 为 0. 479629,可膨胀系数 ε 为 0. 984971,流出系数 C 为 0. 602500,
计量流量 qV为 38743m3/ h。分析中,以实际积水高度 h 与堰高 H 之比: h /H,表示管道积水高度,其中堰高 H = ( D - d) /2 =181. 981mm。
( 1) 管道积水对直径比的影响:
  孔板流量计量装置测量管道中的积水是柔性的,在煤气压力的作用下,管道内积水面会发生一定的弯曲。由于管道内煤气压力较低,可忽略因气体压力而引起的积水面的微小弧度,认为积水面为平面。只要积水高度一定 ( 即图 1 中阴影部分面积一定) ,就能确定气体流通截面积。因此,选用与气体流通截面积相同面积的圆的直径作为等效直径,以积水高度表示管道积水后气体流通截面积。如图 1 为管道截面示意图,阴影部分为积水。经计算得到管道积水后,等效直径比 β'为:
图 1 管道截面示意图

图 1 管道截面示意图
  式中: β'为管道积水后,等效直径比,无量纲; d 为孔径,m ; D 为 测 量 管 道 直 径,m; h 为 积 水 高度,m。
  公式 ( 2) 是在测量管道积水时,等效直径比的计算公式。积水高度与等效直径比的变化关系如图 2。
  图 2 可见: 当积水高度为堰高的 10% 时,等效直径比增大 0. 3553% ; 积水高度为堰高的 20% 时,等效直径比增大 1. 007% ; 积水高度为堰高的 50% 时,等效直径比增大 4. 058% 。因此,管道积水后,等效直径比 增 大; 积 水 高 度 越 高,等 效 直 径 比 增 大 越显著。
图 2 管道积水对直径比的影响图

图 2 管道积水对直径比的影响图
( 2) 管道积水对可膨胀系数的影响可膨胀系数的计算公式为:
计算公式
式中: p1、p2为孔板前、后取压孔处被测流体的压力,Pa。
图 3 管道积水对可压缩系数的影响图
图 3 管道积水对可压缩系数的影响图
  管道积水高度与可膨胀系数的变化关系见图 3。可知: 管道 积 水 使可 膨 胀 系数 减 小,并 且 影 响 很小
( 3) 管道积水对流出系数的影响国内外有关资料对于孔板在实际应用中产生的偏离标准的程度,皆用流出系数的偏差来衡量[4]。孔板前管道积水会改变流出系数[5],下面看一下管道积水对流出系数的影响。ISO5167 - 2006 流出系数的计算公式采用里德 - 哈利斯/加拉赫公式:[4]
计算公式
式中: C 为流出系数,无量纲; β 为直径比,无量纲;
ReD为管道雷诺数,
无量纲; L1为孔板上游端面到上游取压口的距离除以管道直径得出的商,
无量纲; L'2为孔板下游端面到下游取压口的距离除以管道直径得出的商,无量纲。
  计算管道积水后的实际流出系数和实际流量时,应以等效直径比 β'代替直径比 β、以实际可膨胀系数 ε'代替可膨胀系数 ε,可求出管道积水后相应的 C'和q'V值。如图 4 为积水高度对流出系数的影响。
图 4 管道积水对流出系数的影响图

图 4 管道积水对流出系数的影响图
  图 4 可见: 积水高度为堰高的 10% 时,实际流出系数增加 0. 0102% ; 积水高度为堰高的 20% 时,实际流出系数增加 0. 0289% ; 积水高度为堰高的 50%时,实际流出系数增加 0. 1182% 。因此,孔板上游测量管道积水后,实际流出系数增大。积水高度越高,实际流出系数增大越显著,呈现近似正向二次函数的关系。

2. 2、管道积水对流量计量的影响:
  在分析了管道积水对直径比、可膨胀系数和流出系数等参数的影响之后,来看一看测量管道积水对流量计量的影响。将管道积水后的各参数实际值分别代入流量方程,求出管道积水后的实际流量,并将其与计量流量 ( 流量示值) 作比较。
  图 5 为管道积水后,对于不同的积水高度,实际流量与计量流量 ( 流量示值) 的关系。图中 δq =( q' - q ) /q × 100% ,其中: q' 为管道积水时的实际流量,q 为流量示值。
图 5 管道积水对流量的影响

图 5 管道积水对流量的影响
由图 5 可见:
( 1) 测量管道积水后,实际流量大于计量流量( 流量示值) 。也就是说,与实际流量相比计量流量偏小。
( 2) 在计量流量 ( 流量示值) 不变的情况下,实际流量随管道积水高度的升高而增大。积水高度越高,实际流量增大越显著,亦呈现近似正向二次函数的关系。当积水高度为堰高的 10% 时,实际流量增大0. 0492% ; 积水高度为堰高的 20% 时,实际流量增大0. 1395% ; 积水高度为堰高的 50% 时,实际流量增大 0. 5912% 。
  当计量流量为 38743m3/ h, 管道积水高度为堰高的 50% 时, 实 际 流 量 与 计 量 流 量 的 偏 差 为0. 5912% ,一年以 365 天计,实际流量增大了 200m3。因此,在贸易结算中,管道积水对流量的影响是不容忽视的。
 
3、实际数据:
  为验证理论计算结果,对某实际运行中的人工煤气孔板流量计量装置定期放水,将放水前、后的计量流量作对比。先将由于用气或供气量发生变化,造成有明显变化或波动的流量数据予以剔除,对稳定运行工况下,放水前、后计量流量的变化进行分析。表 1中所取数据为: 稳定的运行工况下,放水前、后各10min 的平均时流量。
  由表 1 可见: 在稳定的运行工况下,放水后计量流量大于放水前的计量流量。这表明: 测量管道积水使流量示值小于实际流量。由于这些数据是孔板流量计量装置实际运行时采集的流量数据,该数据或多或少会受到环境或用户的影响,但至少可以说明: 测量管道积水使计量流量 ( 即流量示值) 小于实际流量。
表 1 放水前、后 10min 的平均时流量统计表


4、结论:
  综上可知,测量管道积水会导致计量流量 ( 流量示值) 减小,随积水高度的升高,计量流量与实际流量之间偏离程度增大。贸易结算中,管道积水对流量计量的影响是不容忽视的。实际应用中,应特别注意定期排水。由于管道积水对流量计量的影响是同一方向的,因此可考虑对管道积水引入的流量误差予以修正,假定测量管道以相同速率积水,根据排水周期及积水量,对未来的流量影响值进行预测或补偿。
  另外,孔板流量计量装置适用于单相稳定流,本文的分析亦是基于单相稳定流的前提下给出了管道积水对流量计量影响的结论。有时,管道的积水会导致气体流动过程中形成脉动流,脉动流对流量计量的影响不在本文的研究范围之内。


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