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孔板流量計在不同流量條件下的能效測試的研究和應用

作者: 來源: 發布時間:2017-10-14 10:19:21

 引言

        差壓式流量計是一種常用流量計,其測量原理是基于流動連續穩定假定和能量守恒定律,通過測量前后段壓力差,計算介質流量的方法。在工程領域,由于其具有安裝簡單、測量范圍廣和使用壽命長的特點,適用于空氣、天然氣等流體介質的計量,廣泛應用于化工、天然氣等行業。然而,在大范圍管道流體輸運過程中,尤其大型管路,差壓式流量計的壓力損失必將引入額外的能耗,其能效性能帶來的長期影響不可忽略,對其進行能效測試具有重要的經濟價值和工程意義。
 
        差壓式流量計是研究較早的一種流量計,不少機構如AGA(美國煤氣協會)、ASME(美國機械工程師協會)和NBS(美國國家標準局)在20世紀初就開始了相關實驗和技術研究,在此基礎上,ISO(國際標準化組織)于1967年和1968年頒布了ISO/R541和ISO/R781兩個標準,分別規定了孔板流量計和噴嘴,以及文丘里管。我國相應推出了GB2624系列,其中GB2624.2針對孔板流量計,GB2624.4針對文丘里管,這些標準主要是對流量計的結構形式、取壓方式、安裝等提出了要求,雖然列出了差壓公式,卻缺少流量計能效的相關要求。建立差壓流量計的能效測試模型,測試其能效性能,既能反映出流量計的阻力特性,又能為流量計結構、安裝提供技術支持,同時為管路系統設計、幾何尺寸、流體壓力、流量等參數設計提供支撐。本研究以伯努利方程為基礎,建立流量計能效測試模型,研究在氣體流量計量中,文丘里流量計的能效測試方法,并與孔板流量計結果進行了對比,取得了較好結果。
 
1測試模型
        如圖1所示,建立管路系統,按照流量計安裝位置劃分,可以將管道分為輸入段、被測前段、被測段和尾段。測量原理為:假定其它條件相同,分別測量被測段接入文丘里管流量計、孔板流量計和空管時的總能量,用接入流量計與空管狀態下的總能量之差,就可以得到流量計帶來的能耗。
 被測管路分段的測試模型
        單次測量過程中,管道內的流體流動遵守能量守恒和質量守恒。按照伯努利方程,對于管路任意截面Ⅰ、Ⅱ,有:
 20171014143658.jpg
        式中:g為重力加速度,m/s2;ρ為流體密度,kg/m3;pⅠ、pⅡ分別為截面Ⅰ、Ⅱ的壓力,Pa;zⅠ、zⅡ分別為截面Ⅰ、Ⅱ的高度,m;vⅠ、vⅡ分別為截面Ⅰ、Ⅱ的流速,m/s;aⅠ、aⅡ分別為截面Ⅰ、Ⅱ的流速平均系數。
 
        該式表明,沿管路方向,忽略熱量耗散和位置勢能變化,任意截面的動能和勢能之和保持不變。故流量計產生的能耗可表示為:
 20171014143717.jpg
        式中:ΔW為能耗,kWh;V為體積流量,m3;Cρ為與密度相關的常數;Δp為壓損,Pa;Δ(av2/2)為動能損失,kWh。
 
        上式表明,不同測量條件下(安裝流量計與空管狀態下),被測流量計帶來的能耗與管道內動能和壓力能變化相關。對于圓管內流,相同流量下,可以忽略流速變化帶來的動能變化,而能耗僅與壓力能變化相關,即體積流量和壓損相關,故可以定義反映被測流量計能耗特征的量為:
 20171014143917.jpg
        式中:η為流量計能效,kWh/(m3/h)。
式(3)表明,η越大,流量計帶來的能耗越大。故被測流量計的能效等于流量計的能耗與輸入能量的比值,這與能效的定義相吻合。
 
另外,從能量守恒的角度看:
        W輸入=W管前段+W被測段+W尾端(4)
因此,有:
        W被測段=W輸入-W管前段-W尾端(5)
取微分有:
        ΔW被測段=ΔW輸入-(ΔW管前段+ΔW尾端)(6)
 
        結合式(2),上式中輸入段的能量變化可用電能確定,管前段和尾端的能量變化可由壓力和流量進行控制。
 
2測試方法和結果
        由以上分析可知,流量計帶入的損耗可以由輸入段的能量變化減去管前段和尾端的能量變化。按照圖1接入管路,在其它安裝條件不變的情況下,管道前段和尾端的能量變化可以由流量和末端壓力進行控制。
 
        本研究以DN600管徑系統的滿管流量狀態為研究對象,分別測試空管、孔板流量計和文丘里管三種狀態。測試的參數包括:壓力(差壓)、溫度、氣體流量和電功率。選擇的測試儀器包括:0.1級差壓變送器提供壓力和壓差;1級標準表提供流量參數;0~50℃溫度計zui大允許誤差±0.2%;0.5級數字功率計提供電功率。為達到預期測試條件和效果,本次測試環境控制:電源條件(電壓為 220V,頻率為50Hz,電壓穩定度為5min 內 1%);環境溫度變化≤2℃。 測試結果如表1 所示。
 表1測試結果
        從測試結果看,本次測試所采用的文丘里管流量計的能耗較孔板流量計的能耗小很多,并且在大流量下更為明顯,其測試結果合理。
 
3 影響不確定度的主要因素
        根據式(2)、(3),影響測量不確定度的主要因素包括:1)測量重復性引起的 A 類不確定度;2)電功率計測量電功率引入的測量不確定度;3)標準表測量流量引入的測量不確定度;4)差壓傳感器測量壓力和壓差引入的測量不確定度;5)管道幾何尺寸測量和管道粗糙度等引入的不確定度。
 
4 小結
        本研究以差壓式流量計的能效特性為研究對象,基于伯努利方程,建立了管道內差壓流量計能效測試模型,以孔板流量計和文丘里管流量計能效測試為例,分別測試了在空管狀態、接入孔板流量計、接入文丘里管流量計的三種安裝條件下,不同流量時的能效水平。 研究表明測試所采用的文丘里管流量計的能耗較孔板流量計的能耗小很多,并且在大流量下更為明顯。 對測試結果分析表明,本研究建立的測試模型是可靠的,測試結果也是合理的,測試方法可以應用于類似流量計的能效測試。

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