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测量仪表课程设计
摘要
流体流量就是单位时间内流过某一截面的流体的量,成为瞬时流量。
在某一段时间间隔内流过某一截面流体的总量成为流过的总量。
显然流过的总量可以用在该段的时间内瞬时量对时间积分得到,所以总量常称为积分流量或累计流量。
截流变压降流量计就是在管道中设置孔板、喷嘴等各种节流件,当流体流经节流件时由于流通截面改变,流速发生变化,通过实验得到流量与差压之间的关系,就可通过测量差压测出流量。
这就是工业上最常用的流量测量方法,也是目前热电厂中在高温高压下测量流量的几乎唯一的方法。
对于一定形状和尺寸的节流件,一定的测压位置和前后直管段情况,一定参数的流体,和其他条件下,节流件前后产生的差压值随流量改变而改变,两者之间并有确定的关系。
节流件的形式很多,有孔板、喷嘴、文丘利管、1/4圆喷嘴,等等。
目前使用最广泛的节流件就是孔板和喷嘴。
关键字:
流量;差压;节流件:
目录
引言1
第一章节流式流量测量原理及系统总体设计2
1.1节流件测量原理2
1.2节流装置设计思路2
第二章节流件及差压计4
2.1节流件4
2.2差压计4
第三章关键参数计算及检验计算6
3.1要求6
3.2相关计算6
3.2.1工作状态下流量测量范围上限值qmmax6
3.2.2求介质密度ρ1介质动力粘度η及管道材料膨胀系数λD6
3.2.3工作状态下管道内径7
3.2.4计算ReDchReDmin7
3.2.5确定差压上限值Δpmax7
3.2.6计算常用流量下的差压值Δpch7
3.3计算7
3.3.1计算A值7
3.3.2计算β1C1ε17
3.3.4验算压力损失9
3.3.5确定d209
3.3.6确定直管段长度和对管道粗糙度的要求10
3.3.7标准节流装置流量测量结果的不确定度10
第四章系统安装和使用说明6
4.1流量装置和差压计的安装12
4.2系统使用说明12
结束语13
参考文献14
引言
在热力发电厂中,流体(水、蒸汽、油等)的流量直接反映设备的负荷高低,工作状况和效率等运动情况。
因此连续监视流体的流量对热力设备的安全、经济运行及能源管理有着重要意义。
通过对流体流量知识的学习,我们具备了灵活运用知识的能力,提高了解决工程实际问题的能力。
在工业生产中,不论是生产过程控制还是成本核算,通常需要准确地知道流体的质量流量,因此需要有能直接测定流体质量流量的质量流量计。
第一章节流式流量测量原理及系统总体设计
1.1节流件测量原理
管道内装入节流元件,流体流过节流件时流束收缩,于是在节流件前后产生差压,对于一定形状和尺寸的节流件,一定的测压位置和前后直管道情况,一定参数的流体,和其他条件下,节流件前后产生的差压值随流量而变,并且两者之间有确定的关系。
因此可通过测量差压来测量流量。
孔板和喷嘴是应用最为广泛的节流元件,总称为标准节流元件,只适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体的流量,并要求流体充满管道;在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质;流速小于音速,流动属于非脉动流;流体在流过节流件前,流束与管道轴线平行,不得有旋转流。
1.2设计思路
1.2.1标准取压装置
按国家规定,标准节流装置取压方式:
标准孔板为角接取压和法兰取压;标准喷嘴是角接取压。
角接取压是节流件上、下游的压力在节流件与管壁的夹角处取出。
取压位置的具体规定是,上、下游侧取压孔的轴线与孔板(或喷嘴)上、下游侧端面的距离分别等于取压孔径一半或取压环隙宽度的一半。
角接取压装置有两种型式。
上半部分环室取压结构,下半部分为单独钻孔取压结构。
环室取压是节流件在节流两侧安装前、后环室,并由法兰将环室、节流件和垫片夹紧。
在紧靠节流件两端面开一连续的环隙,在其上取得整个圆周上的平均压力值。
角接取压标准孔板的适用范围:
管径D为50~1000mm,直径比β为0.22~0.8,雷诺数Re为5×103~1×107。
国家标准推荐适用的最小雷诺数Remin见表【1】6-3。
法兰取压装置上、下游侧取压孔的轴线与孔板上、下游侧端面A、B的距离等于25.4±0.8mm。
上、下游取压孔的轴线垂直于管道轴线,并且取压口直径不得超过0.08D,实际为6~12mm。
1.2.2温度、压力补偿质量流量计
温度、压力补偿式质量流量计的基本原理是:
测量流体的体积流量、温度和压力值,根据已知的被测流体密度与温度、压力之间的关系,通过运算,把测得的体积流量数值自动换算到标准状态下的体积流量数值。
由于被侧流体种类一定后,其标准状态下的密度ρ0是定值,所以标准状态下的体积流量就代表了流体的质量流量值。
连续测量温度、压力比连续测量密度容易。
因此工业上所用的质量流量计多采用这种原理。
若被侧流体为低压范围内的气体,则可用用理想气体状态方程,即:
(1-1)
式中
ρ——热力学温度T、压力为P工作状态下的气体密度;
ρ0——热力学温度TO、压力为P0标准状态下的气体密度。
此时,对于体积式流量计或速度式流量计测得的流体体积流量qv,可经过下是进行温度,压力补偿后得到质量流量:
(1-2)
式中C1——常数,。
对于测量的差压式流量计,则可按下式进行压力温度补偿(1-3)
式中C2——常数,
从上式可知,只要测得差压式流量计的差压值和温度、压力值就能求得质量流量值。
第二章节流件及差压计
2.1节流件
国际上有一些标准化了的节流件,如角接取压标准孔板,径距取压长径喷嘴(亦称ASME喷嘴),古典文丘利管和文丘利喷嘴等。
而本课程设计所用的节流件是标准孔板,取压方式为角接取压。
标准孔板的结构如附录图Ⅱ所示。
标准孔板的开孔直径d是一个很重要的数据,应实际测量。
测量在上游端进行,最好是在四个大致相等的角度上测量,求其平均值。
要求各个单测值与平均值之差在0.05%范围内。
孔板进口圆筒形部分应与管道同心安装,其中心线与管道中心线的的偏差不得大于0.0025D/(0.1+2.3β4),式中D为管道内径,β=d/D称为直径比,其中d为孔板开孔直径。
孔板进口边缘应为严格直角,不能有毛刺和可见的反光,即进口边缘很尖锐,边缘半径不大于0.0004d。
孔板厚度E和圆筒形厚度e不能过大,E=0.02-0.05D,e=0.005-0.02D,然而当50mm≤D≤64mm时,考虑强度,E可以大到3.2mm。
角接取压装置为环室取压,如附录图Ⅲ所示。
环室取压的前后环室装在节流件两边,环室夹在法兰之间,法兰和环室、环室和节流件之间放有垫片并夹紧。
节流件前后的压力从前、后环室和节流件前、后端面之间所形成的连续环隙上取得的,为整个圆周上的平均值。
缝隙宽度a在防止堵塞的条件下尽可能小一些,规定为:
当β≤0.65时,0.005D≤a≤0.03D;当β≥0.65时,0.01D≤a≤0.02D。
对于任何β值,对环室:
1mm≤a≤10mm。
如环室或夹紧环和节流件之间有太厚的垫片时,将增加a值,并且还可能使节流件与管轴之间的垂直度偏差超过10,所以垫片厚度不要超过1mm。
为起到均压作用,应使环腔截面积h×c≥0.5πDa。
环腔与导压管之间的连通孔至少有2φ长度为等直径圆筒形,φ为连通孔直径,其值应为4-10mm。
2.2差压计
差压计类型类型根据投资费用和准确度要求选取,可参考参考文献[1]附录表Ⅱ-13,本设计选用准确度等级为0.5的电容式差压变送器。
选择差压计量程的原则是,在保证压损不超过允许压损ωy的条件下,选用较大的差压计量程上限,从而使β值较小,并尽可能使β在0.5-0.6围内为好。
这是由于β值愈小,用要求直管段愈短;β较小时在较低的雷诺数下C值就趋于稳定不变;β较小时对管道粗糙度要求较低;β小于006时C值误差较小等。
但β过小,除会造成过大的压力损失外,还会使d值过小而加工不变。
对于标准孔板,过小的d值使孔板入口边缘的尖锐度要求难于保证,从而引起较大的测量误差。
特别应注意,对于可压缩性流体,应使p/p1<0.25。
对于压力损失有严格限制的情况,可先按允许压力损失Δωy来估算压力计量程上限,计算结束时再验算压力损失是否超过。
如超过,则降低差压计上限重算。
对于孔板,可用式估计。
本设计差压计量程上限按下式计算:
=2.Δωy=2.5×10×103=25KPa(2-1)
根据参考文献[1],附录表Ⅱ—13,可选用1151DR电容式差压变送器,其量程范围
(12.5—152)×9.81Pa,耐静压力为0.7MPa。
变送器量程调整在0—25×103Pa,流量指示仪表的刻度上限为12.5t/h,本例最大,流量为10.5t/h,验算/P=25×103/1.019×105=0.0620.5符合规定。
第三章关键参数计算及检验计算
3.1已知条件
1.被测介质:
空气;
2.流量测量范围(体积流量):
=7000m3/h、=6500m3t/h、=1000m3/h;
3.介质参数:
p=0.40119MPa、t=600C、相对湿度Ф=0;
4.允许压损:
δp≤10kPa;
5.管道内径:
D20=200mm;
6.管道材料:
普通钢管(A3钢);
7.节流件型式:
角接取压标准孔板;节流件材料:
1Cr18Ni9Ti不锈钢;
8.管道情况:
如图3-1所示
图3-1管道情况图
3.2准备计算
3.2.1工作状态下流量测量范围上限值qmmax
qmmax=10.5t/h(3-1)
3.2.2求介质密度ρ1介质动力粘度η及管道材料膨胀系数λD
根据介质工作状态下的压力P=0.40119Mpa和温度t=600C从参考文献[2]附表3中查得介质密度ρ=4.2kg/m3;从参考文献[2]附图1中查得介质动力粘度η=4.2×10-3Pa.s
干空气的k=1.4。
根据钢管材料A3钢和工作温度600C,从参考文献[1]附表Ⅱ-3中查得管道材料线膨胀系数=11.75×10-61/0C
3.2.3工作状态下管道内径
Dt=D20[1+λD(t-20)]
=200×[1+11.75×10-6×(60-20)]=200.094(mm)(3-2)
3.2.4计算ReDchReDmin
(3-3)
(3-4)
可见,在最小流量下的雷诺数ReDmin已超过标准孔板雷诺数适用范围的下限。
3.2.5确定差压上限值Δpmax
取Δpmax=2.5δp=2.5×10×103=25×103(Pa),参考参考文献[1]附录表-13,可选用1151DR电容式差压变送器,其量程范围为(12.5~152)×9.81Pa,耐静压为0.7MPa。
验算Δpmax/p=25×103/401.19×103=0.062﹤0.5,符合规定。
3.2.6计算常用流量下的差压值Δpch
本设计最大流量为10.5t/h,所以流量计刻度上限qmmax定为12.5t/h
Δpch=Δpmax(qmch/qmmax)2
=25×103Pa(3-5)
3.3计算
3.3.1计算A值
A=
=
=0.24096
(3-6)
3.3.2计算β1C1ε1
设初始假定值C0=0.60;ε0=0.99
X1===0.40567(3-7)
β1=(1+)-0.25=[1+]-0.25=0.61312(3-8)
C1=
=
=0.60453(3-9)
=
=0.99076(3-10)
3.3.3计算βCε
X2=(3-11)(3-12)根据β2,计算C2,ε2
=0.60454(3-13)
=
=0.99078(3-14)
(3-15)
(3-16)
根据β3,计
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