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差压类节流孔板喷嘴文丘里流量计工作原理

文章日期:2019-07-13|阅读数:




1、概述

1.1 流量计简介

在石油、化工、冶金、电力、轻工、轻纺、科研、军工等行业的生产过程中,至今仍大量地使用着各种类型的差压流量计进行流量的测量、控制和调节。虽然近年来出现了电磁流量计、旋涡流量计等新式仪表,但由于差压流量计具有结构简单、牢固、工作可靠、性能稳定、精确度适中、价格优廉等优点,使用其用量仍占绝对优势。
所谓差压式流量计是指根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。差压流量计由一次装置(节流装置)和二次仪表(差压转换和流量显示仪表)组成。特别是新近出现的智能型差压变送器与节流装置做成一体化,不仅给安装带来了很大方便和利益,用户不用敷设安装管线,并且可以实现温度、压力的自动补偿、故障诊断、量程范围非常宽、现场量程调整、与上位机通讯等功能,更加扩大了节流装置的适用范围。

1.2 流量计分类

以检测件的型式对差压流量计分类——可分为孔板流量计、文丘里管流量计、喷嘴流量计、均速管流量计等。
以检测件的作用原理对差压式流量计分类——可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类,其中以节流式和动压头式应用最为广泛。
以检测件的标准化程度对差压流量计分类——可为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差,非标准节流装置是成熟程度较差,尚未列入标准文件中的检测件。

1.3 流量计测量要求

1、流体必须充满管道,并且流动时连续的。
2、流体必须是牛顿流体(例如普通的水、酸、碱溶液、过热蒸汽、各类气体、干饱和蒸汽),流体在节流装置附近不应发生相态变化(由液态表气态或反之);流体应当是单相的(气相或液相)或者可以看作是单相流体,例如气体流中有不超过2%(质量成分)均匀分散的固体微粒、液体流中有不超过5%(体积成分)均匀分散的气泡。
3、流体在流经节流装置前,其流束必须与管道轴线平行,不得有旋转流或偏心流,不得是脉动流或临界流。
 
2、测量原理

2.1 基本原理

充满管道的流体,当它流经管道内的节流件时,如图2.1所示,流速将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大,产生的压差愈大,这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关,例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时,在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。
孔板流量计工作原理
图2.1 孔板附近的流速和压力分布

 

 

 

2.2 流量方程

根据流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)可得流量基本方程式:
 
式中
qm:质量流量,kg/s
qv:体积流量,m3/s
C:流出系数;
e:可膨胀性系数;
β:直径比,β=d/D;
d:工作条件下节流件的孔径,m;
D:工作条件下上游管道内径,m;
△P:差压,Pa;
Ρ:上游流体密度,kg/m3。
 

3、主要产品类别

3.1、标准孔板

这是一类规格最多的标准节流装置,是节流装置中结构最简单、适应性最强的一种产品,广泛使用在各种流体特别是气体流量测量中,其设计、制造和使用均符合国际标准ISO5167的规定,并按照国标JJG640-97进行检定。标准孔板按照取压方式可分为角接取压(包括环室取压和单独钻孔取压两种)、法兰取压、径距取压(D-D/2)三种类型。
以上三种取压方式和取压位置可参见下图3.1
 
 
 
 
 
 
 
 
角接取压——包括环室取压和单独钻孔取压两种
A、 环室取压


图3.2环室取压标准孔板结构(DN≤400,PN≤2.5MPa) 图3.3环室取压标准孔板结构(DN≤400,PN≤6.3MPa)
 
 

图3.4环室取压标准孔板结构(DN≤400,PN≤10MPa) 图3.5环室取压标准孔板结构(DN≤400,PN≤32MPa)

B、 单独钻孔取压(DN不受限制)
  图3.6单独钻孔取压标准孔板结构 图3.7单独钻孔取压标准孔板结构
( DN≤1800,PN≤10MPa)   (DN≤400,PN≤6.3MPa)
 

 
法兰取压
法兰取压比角接取压具有装配简单、安装方便、容易排除取压口处的脏污介质等优点,广泛应用于石油、化工等行业各种介质的流量测量、控制和调节。
孔板法兰取压装置
图3.8法兰取压标准孔板结构(DN≤1000,PN≤2.5MPa) 图3.9法兰取压标准孔板结构(DN≤500,PN≤4.0MPa)
 

 
 

图3.10法兰取压标准孔板结构(DN≤400,PN≤10MPa) 图3.11法兰取压标准孔板结构(DN≤250,PN≤32MPa)
 
 
 
径距取压
该方式应用较少,具体结构请咨询厂家

3.2、标准喷嘴

喷嘴流量计有悠久的历史背景,各种试验数据齐全。结构简单,无可动部件、长期使用稳定可靠,丰富的设计制造和应用经验。标准化程度高,可不必进行实流标定。标准喷嘴有可靠的实验数据和完善的国际、国家标准。在国外和国内有着其固有的巨大市场,用户熟悉、数据完善;遵循国际标准计算与加工、使用灵活方便;是国内目前流量测量中应用最广泛的差压式流量计之一,在石油、化工、矿冶、钢铁、电力、水利、造纸、制药、食品和化纤等许多行业中被广泛使用。
标准喷嘴有两种结构形式:ISA 1932喷嘴和长径喷嘴。其设计、制造符合国际标准ISO5167或国家标准GB/T2624,由于其入口部分似乎圆弧形,比较耐磨损,常用于高温高压流体(如过热蒸汽、蒸汽主给水等)。
A、ISA 1932喷嘴(图3.4) 上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。ISA 1932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。
标准喷嘴 
 
图3.12  ISA 1932喷嘴安装结构示意图
主要技术参数
Ÿ 公称通径: DN50 – DN500
Ÿ 依据国家标准GB/T2624-93进行设计制造
Ÿ 依据国家检定规程JJG 640-94进行出厂检定
Ÿ 取压方法: 角接取压、法兰取压
Ÿ 基本精度: ±0.5%、±1%、±1.5%
Ÿ 流量范围: ≥ 1:15
Ÿ 公称压力: 0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10、16、32(MPa)
Ÿ 被测介质: 水、空气、天然气、饱合蒸气、过热蒸气、其它混合介质
Ÿ 被测介质温度:常规-10℃~+450℃,超出后请咨询厂家

图3.13角接取压标准喷嘴结构(DN≤500,PN≤2.5MPa) 图3.14角接取压标准喷嘴结构(DN≤400,PN≤10MPa)
 


图3.15角接取压标准喷嘴结构(DN≤500,PN≤10MPa) 图3.16角接取压标准喷嘴结构(DN≤400,PN≤32MPa)

 
B、长径喷嘴(图3.17) 上游面由垂直于轴的平面、廓形为1/4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。教耐腐蚀,常用于高温高压流体(如过热蒸汽、锅炉主蒸汽、化工溶液等)的测量。广泛应用在电力行业的主蒸汽、核电行业主给水等高温高压流体的测量。
长颈喷嘴流量计取压结构
长径喷嘴的取压方式仅D-D/2取压一种。

 
图3.17 长颈喷嘴
 
主要技术参数
Ÿ 公称通径: DN50 – DN600
Ÿ 依据国家标准GB/T2624-93进行设计制造
Ÿ 长径喷嘴流量计依据国家检定规程JJG 640-94进行出厂检定
Ÿ 取压方法: 径距取压
Ÿ 基本精度: 2%
Ÿ 流量范围: ≥ 1:15
Ÿ 公称压力: 0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10、16、32、42(MPa)
Ÿ 被测介质: 水、空气、天然气、饱合 图3.18长颈喷嘴结构示意图(DN50-600,PN≤42MPa)
  蒸气、过热蒸气、其它混合介质
Ÿ 被测介质温度:常规-10℃~+450℃,超出后请咨询厂家


3.3、经典文丘里管

经典文丘里管又称古典文丘里管。习惯称呼标准文丘里管。符合lS05167或GSfT2624标准。用于测量封闭管道中单相稳定流体的流量,常用于测量空气、天然气、煤气、水等流体的流量。
经典文丘里管特点:
Ÿ 结构简单,耐用,性能稳定。
Ÿ 压力损失小,节约流体输送所需的能源。
Ÿ 在通径50~1200范围内.不需要实流标定。超出这个范围,可以参比设计制造。当需要较高精确度时,可进行实流标定。
Ÿ 本体安装尺寸较长,对大口径仪表,不便于运输安装。
经典文丘里管主要技术参数:
Ÿ 公称通径(mm):DN50一DNl200(~2600)
Ÿ 公称压力(MPa):0 25~4 0(~6 3)
Ÿ 精确度(不确定度):±1%~±1 5%
 

类型 公称直径 节流孔径比β 雷诺数范围 材质
粗铸收缩段 100mm≤DN≤800mm 0.3≤β≤0.75 2×105≤Re ≤2×106 铸铁或铜
机械加工收缩段 50mm≤DN≤250mm 0.4≤β≤0.75 2×105≤Re ≤2×106 碳钢或不锈钢
粗焊铁板收缩段 200mm≤DN≤1200mm 0.4≤β≤0.7 2×105≤Re ≤2×106 碳钢或不锈钢
 
 
图3.17经典文丘里结构示意图
经典文丘里流量计
经典文丘里结构
经典文丘里管的轴向截面见上图。它是由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C、圆锥扩散段E组成。圆筒段A的直径为D,其长度等于D;收缩段B为圆锥形,并有21°±1°的夹角;喉部C为直径d的圆形筒段,其长度等于d;扩散段E为圆锥形,扩散角为7°~15°

3.4、限流孔板

限流孔板用于降低管道的压力,或用以限制管道内流体的流量。按照国际标准ISO 5167进行选型计算,获取开孔尺寸,技术成熟并适合大部分管道尺寸,通常安装固定在两片管道法兰之间,用合适的垫片密封,用螺栓固定。产品系列中可以提供满足RTJ形式法兰的限流孔板。
 
尺寸
外形尺寸如右图。我们推荐使用带手柄的限流孔板,以方便安装和拆卸,并打印有永久针式标记,注明限流孔板的尺寸、材质、开孔等基本信息。
如图所示限流孔板外径等于连接法兰的螺栓中心圆直径减去螺栓直径,以确保限流孔板的精确对中。限流孔板厚度取决于管径大小和差压大小,其厚度应足以防止孔板在操作条件下的弯曲。推荐限流孔板厚度如图5.1所示。
 
材料
标准材料包括316不锈钢,304不锈钢,310不锈钢,哈氏合金C276,哈氏B3,双相不锈钢,超级双相不锈钢,蒙乃尔400,碳钢,钛,镍600,钽,PTFE和PVDF等。其他特殊材质需求请咨询销售代表。
图3.18 推荐孔板厚度
   文丘里流量传感器设计原理
 
 
限流孔板外形尺寸对照表
 
表一:用于ANSI RF法兰的标准限流孔板尺寸 (美标)
 
 
表二:用于带颈对焊钢制管法兰的标准限流孔板尺寸 (DIN标)
 


3.5、内藏孔板

 
这类孔板是将孔板与一段测量管做成一体,一般用于小管径( DN<50mm )所以又称之为小管径孔板。当 DN=50 时,属于标准孔板,可以按照国际标准ISO5167制造,DN<50时,属于非标准孔板,其流出系数可按 Stolz 公式进行计算,当精度要求在 ± 2.5% 以上时,建议进行实流标定 。
特点:
Ÿ 结构紧凑,牢固耐用,工作可靠
Ÿ 可以测量小流量,现场安装方便
Ÿ 要求配备一段精密加工的直管段(通常前5D,后2D)
 
主要技术参数:
Ÿ 公称通径(mm):DN15一DNl50
Ÿ 公称压力(MPa):≤6 3
Ÿ 精确度(不确定度):±2 5%
 
 
 
 


4、安装

4.1、直管段要求

 
表4.1 孔板与阻流件之间所要求的直管段长度(无流动调整器)(数值以管径D倍数表示)
 

直径比β 孔 板 上 游 侧 (入口)
单个90o弯头两个90o弯头在任意平面(S>30D) 在同一平面上的两个90o弯头,S形状(30D≥S>10D) 在同一平面上的两个90o弯头,S形状(10D≥S) 在垂直平面上的两个90o弯头,(30D≥S≥5D) 在垂直平面上的两个90o弯头,(5D>S)①② 单个90o三通 单个45o弯头在同一平面上的两个45o弯头,S形状(S>22D)
  A B A B A B A B A B A B A B
0.20 6 3 10 10 10 10 19 18 34 17 9 3
0.40 16 3 10 10 10 10 44 18 50 25 9 3 30 9
0.50 22 9 18 10 22 10 44 18 75 34 19 9 30 9
0.60 42 13 30 18 42 18 44 18 65 25 29 18 30 18
0.67 44 20 44 18 44 20 44 20 60 10 36 18 44 18
0.75 44 20 44 18 44 22 44 20 75 18 44 18 44 18
 
直径比β 孔 板 上 游 侧 (入口) 孔板下游侧(出口)
渐缩管在1.5D到3D的长度内由2D变为D 渐扩管在D到2D的长度内由0.5D变为D 全孔球阀或闸阀全开 对称突缩管 温度计套管或插口直径小于0.03D 前面全部阻流件类型和密度计套管
  A B A B A B A B A B A B
0.20 5 5 16 8 12 6 30 15 5 3 4 2
0.40 5 5 16 8 12 6 30 15 5 3 6 3
0.50 6 5 18 9 12 6 30 15 5 3 6 3
0.60 9 5 22 11 14 7 30 15 5 3 7 3.5
0.67 12 6 27 14 18 9 30 15 5 3 7 3.5
0.75 22 11 38 19 24 12 30 15 5 3 8 4
① S-两个弯头分隔的间距,从上游弯头曲面部分的下游端到下游弯头曲面部分的上游端的间距。
② 恶劣的安装条件,可能的话,采用流体调整器。
③ 对于其他阻流件,温度计套管的安装不会变更其上游的最短直管段长度。
④ 当A栏和B栏分别增加到20D和10D时,则可安装温度计套管的直径为0.03D到0.13D。
⑤ 此处无数据,用β=0.4的长度足够了。
注:
1.对于β<0.2可以取β=0.2同样的长度。
2.最小直管段长度是指孔板的上下游阻流件与孔板之间的长度,该长度是从最靠近的弯头或三通的曲面部分下游末端或渐缩管和渐扩管的锥管部分下游末端测量起。
3.本表中大多数弯头其曲率半径等于1.5D,但亦可用于任意曲率半径的弯头。
4.各种阻流件中A栏的长度是指"零附加不确定度"的。
5.各种阻流件中B栏的长度是指"0.5%附加不确定度"的。

表4.2喷嘴和文丘里喷嘴所要求的直管段长度(无流动调整器)(数值以管径D倍数表示)
 

直径比β 喷嘴和文丘里喷嘴上游侧(入口) 下游侧(出口)
单个90o弯头或三通(流体仅从一个支管流出) 在同一平面上的两个或多个90o弯头 在不同平面上的两个或多个90o弯头 渐缩管在1.5D到3D长度由2D变为D 渐扩管在D到2D长度内由0.5D变为D 球阀全开 全孔球阀或闸阀全开 对称骤缩管 温度计套管或插孔直径小于0.03D 温度计套管或插孔直径在0.03D和0.13D之间 前面阻流件(后3个除外)
  A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B
0.20 10 6 14 7 34 17 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 4 2
0.25 10 6 14 7 34 17 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 4 2
0.30 10 6 16 8 34 17 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 5 2.5
0.35 12 6 16 8 36 18 5   16 8 18 9 12 6 30 15 5 3 20 10 5 2.5
0.40 14 7 18 9 36 18 5   16 8 20 10 12 6 30 15 5 3 20 10 6 3
0.45 14 7 18 9 38 19 5   17 9 20 10 12 6 30 15 5 3 20 10 6 3
0.50 14 7 20 10 40 20 6 5 18 9 22 11 12 6 30 15 5 3 20 10 6 3
0.55 16 8 22 11 44 22 8 5 20 10 24 12 14 7 30 15 5 3 20 10 6 3
0.60 18 9 26 13 48 24 9 5 22 11 26 13 14 7 30 15 5 3 20 10 7 3.5
0.65 22 11 32 16 54 27 11 6 25 13 28 14 16 8 30 15 5 3 20 10 7 3.5
0.70 28 14 36 18 62 31 14 7 30 15 32 16 20 10 30 15 5 3 20 10 7 3.5
0.75 36 18 42 21 70 35 22 11 38 19 36 18 24 12 30 15 5 3 20 10 8 4
0.80 46 23 50 25 80 40 30 15 54 27 44 22 30 15 30 15 5 3 20 10 8 4
 
① 温度计套管或插孔的配置不变更其他阻流件需要的上游最短直管段长度。
注:
1.最短直管段长度是节流件上游或下游的各种阻流件与节流件之间的数值,全部直管段长度从节流件的上游端面测量起。
2.A栏为"零附加不确定长度"的长度值。
3.B栏为"0.5%附加不确定度"的长度值。
4.有些节流件不是全部β值都允许采用的。
 
 
 
表4.3 经典文丘里管所要求的直管段长度(无流动调整器)(数值以管径D倍数表示)
 

直径比β 单个90o弯头 在同一平面上或不同平面上的两个或多个90o弯头 渐缩管在2.3D长度内由1.33D变为D 渐扩管在2.5D长度内由0.67D变为D 全孔球阀或闸阀全开
  A B A B A B A B A B
0.30 8 3 8 3 4 4 4 4 2.5 2.5
0.40 8 3 8 3 4 4 4 4 2.5 2.5
0.50 9 3 10 3 4 4 5 4 3.5 2.5
0.60 10 3 10 3 4 4 6 4 4.5 2.5
0.70 14 3 19 3 4 4 7 5 5.5 3.5
0.75 16 8 22 8 4 4 7 6 5.5 3.5
① 弯头的曲率半径大于或等于管径。
注:
1.最小直管段长度是指经典文丘里管上游各种阻流件与经典文丘里管之间的长度,直管段长度是从最靠近(或仅有)的弯头的曲面部分下游末端或渐缩管和渐扩管的追面部分下游末端测量起,它直至经典文丘里管上游取压口的平面处。
2.各阻流件A栏为"零附加不确定度"的长度值。
3.各阻流件B栏为"0.5%附加不确定度"的长度值。
4.若温度计套管或插孔安装于经典文丘里管的上游,必须不大于0.13D并设置在文丘里管上游取压口的上游至少4D处。
5.各种阻流件或其他干扰件(如表中所示)或密度计套管应设置于喉部取压口平面下游至少4倍喉径处,并不应影响测量的准确度。


4.2、引压管线的安装

 
引压管线是指节流装置与差压变送器(或差压计)之间的导压管路。它是差压流量计的薄弱环节,安装不好,容易造成堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等等,约占全部故障率的70%,因此对差压信号管路的配置和安装应弓[起高度重视。
1) 孔板流量计安装角度方法取压口
取压口一般设置在法兰、环室或夹持环上,当测量管道为水平或倾斜时取压口的安装方向如图4.1所示。它可以防止测液体时气体进入导压管或测气体时液滴或污物进入导压管。当测量管道为垂直时,取压口的位置在取压位置的平面上,方向可任意选择。不同温度条件下取压接头的安装方法如图4.2所示。
图4.1 取压口位置安装示意
 


图4.2 在管道上安装取压接头的方法
注:取压空边缘应整齐,为直角或稍加倒圆,无毛刺、卷刃及其他缺陷
(a)温度在426oC(800oF)以下;(b)温度在426oC(800oF)以上,而且与二次元件之间距离较大;(c)当要求满角焊时可选此方案;(d)温度在204oC(400oF)以下
2) 导压管
导压管的材质应按被测介质的性质和参数确定,其内径不小于6mm,长度最好在16mm以内,各种被测介质在不同长度时导压管内径的建议值如表4.4所示。导压管应垂直或倾斜敷设,起倾斜度不小于1:12,粘度高的流体,其倾斜度应更增大。当导压管长度超过30m时,导压管应分段倾斜,并在最高点与最低点装设集气器(或排气阀)和沉淀器(或排污阀)。正负导压管应计量靠近敷设,防止两管子温度不同使信号失真,严寒地区导压管应加防冻保护,用电或蒸汽加热保温,要防止过热,导压管中流体汽化会产生假差压应予注意。
表4.4 导压管的内径和长度(单位:mm)

导压管长度/mm <16000 16000~45000 45000~90000
导压管直径/mm
被测流体
水、水蒸气、干气体 7~9 10 13
湿气体 13 13 13
低、中粘度的油品 13 19 25
脏液体或气体 25 25 38
 
 
3) 差压信号管路的安装
根据被测介质和节流装置与差压变送器(或差压计)的相对位置,差压信号管路有以下几种安装方式。
 
被测流体为清洁液体时,信号管路的安装方式如图4.3所示。
孔板流量计安装要求
图4.3 被测流体为清洁液体时,信号管路安装示意图
 
 
被测流体为清洁干气体时,信号管路的安装如图4.4所示。
孔板流量计三阀组安装
图4.4 被测流体为清洁干气体时,信号管路安装示意图
 
 
 
 
被测流体为水蒸气时,信号管路的安装方式如图4.5所示。

图4.5 被测流体为水蒸气时,信号管路安装示意图
 
 
 
被测流体为腐蚀性液体、气体时,信号管路的安装方式如图4.6所示。

图4.6 被测流体为腐蚀性液体、气体时,信号管路安装示意图
 

5、选型代码表

LG 差压式流量计
节流类型 BK 标准孔板
BP 标准喷嘴
WQ 标准文丘里
公称直径 00 DN15
0A DN20
01 DN25
0B DN40
02 DN50
0C DN65
03 DN80
04 DN100
06 DN150
08 DN200
——
节流件材质 Q SS304
L SS304L
A SS316L
H 整体哈氏合金C-276
S 其它类型需具体说明
法兰材质 C 碳钢
B 不锈钢304
B2 不锈钢316
Q 其他合金钢
取压方式  H 环室取压
F 法兰取压
 J 径距取压
法兰压力等级 2.0 2.0Mpa
4.0 4.0Mpa
5.0 5.0Mpa
6.3 6.3Mpa
-- --
 

 
6、选型需用参数
请尽量详细填写下表以利正确选型
仪表位号
介质状态
介质名称 ( 气体  液体  蒸汽)
操作压力 ( KPa  MPa  Kg/cm2  mmWC)
 表压(G)  绝压(A)
操作温度 ( ℃  ℉  K)
流量范围 最大 正常 最小 量程
单位 (Nm3  m3    Kg / H Min D)
密度 (操作状态  标准状态 单位: Kg/ Nm3 Kg/ m3
粘度 ( cp  mm2/S)
等熵指数 压缩系数
允许压力损失  Pa
 
工艺管道
工艺管道 内径 mm 外径 mm
材质 (直焊式此项必须填写)
安装方向  水平  垂直
直管段长度 前 D 后 D
 
标准状态  0℃ 1个大气压  20℃ 1个大气压
 
其他需要说明情况
 

 


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