常用能源计量装置工作原理及应用

常用能源计量装置工作原理及应用纪纲上海同欣自动化仪表有限公司提纲1.差压式流量计的工作原理及应用2.涡街流量计的工作原理及应用3.插入式流量计的工作原理及应用4.电磁流量计的工作原理及应用5.容积式流量计的工作原理及应用6.热式流量计的工作原理及应用7.科氏力质量流量计的工作原理及应用8.超声流量计的工作原理及应用1.差压式流量计工作原理及应用1.1差压式流量计的优势•优异的稳定性、可靠性和抗振动能力；•对高温、高压、低静压、低流速、低密度流体的适应性；•口径从小到大，系列齐全；•变更量程方便；•只要按照标准设计、制造、安装和使用，无需实流标定就能获得规定的准确度，因而为用户带来方便。1-01差压式流量计的理论基础差压式流量计是基于流体的质量守恒定律和能量守恒定律开发的一种流量计•质量守恒定律•能量守恒定律1-021.2差压式流量计的分类（1）已实现标准化的差压流量计：ISO5167标准中所列的几种节流装置①标准孔板②喷嘴③文丘里管1-03差压式流量计的分类（2）非标差压式流量计①低雷诺数用：1/4圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；②脏污介质用：圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；③低压损用：罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管，Vasy管等；④小管径用：整体（内藏）孔板；⑤端头节流装置：端头孔板，端头喷嘴，Borda管等；1-04⑥宽范围度节流装置⑥宽范围度节流装置：弹性加载可变面积可变压头流量计（线性孔板）；⑦毛细管节流件：层流流量计；⑧临界流节流装置：音速文丘里喷嘴；⑨流道式，多孔节流装置，机翼式⑩插入式差压流量计:圆形截面检测杆；棱形截面检测杆；T形截面检测杆；弹头形截面检测杆。1-05标准节流装置与非标节流装置主要差别•标准节流装置：只要按照标准设计、制造、安装和使用，无须实流标定就能获得规定的准确度。所以标准节流装置只须几何检验法检验。•非标节流装置必须经实流标定才能保证准确度。1-06与差压式流量计有关的标准1.GB／T2624-2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量（等同翻译ISO5167：2003）1-072.GB／T21188-2007用临界流文丘里喷嘴测量气体流量（等同翻译ISO9300：2005）3.GB／T21446用标准孔板流量计测量天然气流量4.JB／T2274-91流量显示仪表5.JJG640差压式流量计检定规程6.JJG1003-2005流量积算仪检定规程1.3差压式流量计工作原理1.差压式流量计基本关系式1-081214241pdCqm式中qm──质量流量，kg/s；C──流出系数；β──直径比，β=d/D；D──管道内径，m；ε1──节流件正端取压口平面上的可膨胀性系数；d──工作条件下节流件的开孔直径，m；Δp──差压，Pa；ρ1──节流件正端取压口平面上的流体密度，kg/m3。流出系数C的R/G公式：7.0682)Re/10(000521.0216.00261.05961.0DC)1/()11.01)(123.0080.0043.0(4417110AeeLL3.065.3)Re/10()0063.00188.0(DA3.11.122)8.0(031.0MM当D＜71.12mm时，应加以下一项：)4.25/8.2)(75.0(011.0D1-09关于标准孔板流出系数C的R/G公式（一）1-10β——工况下孔径与管径之比，β=d/D；符号定义：式中D的单位：mm；ReD——管道雷诺数；8.0)Re/19000(DA)1/(222LM——孔板上游端面到上游取压口的距离；DlL/111l；DlL/122l——孔板下游端面到下游取压口的距离；DlL/222l——孔板上游端面到下游取压口的距离对于D-D/2取压法：L1=1，L2=0.47对于角接取压法：L1=L’2=0对于法兰取压法：L1=L’2=25.4/D，D的单位：mmR/G公式是根据16522个数据点回归出来的。关于标准孔板流出系数C的R/G公式（二）如按全部数据库计算，当ReD＞4000时：R/G公式的标准偏差0.259%；R/G公式的标准偏差δ=0.245%如在Stolz公式所包括的范围内比较：StolzISO5167公式的标准偏差δ=0.390%；1-11采用新老公式时，数据的标准偏差R／G公式是怎样得到的1-12国际上对差压式流量计的研究已经进行几十年。许多国际上著名的实验室都做了大量试验研究工作，并获得大量实验数据。NEL（英国国家工程实验室）资深研究员READER-HARRIS对16522个数据点做了分析和回归，得到著名的R／G公式，故标准孔板的技术又提高了一步。1-13当试验流体为不可压缩流体时，ε1=1m1241qP2d41cρ△πβεm124qP2d41cρπβ用实验室的方法求得流出系数C1-14对于角接和D—D/2（径距）取压的孔板：d≥12.5mm；50mm≤D≤1000mm；0.1≤β≤0.75；对于0.1≤β≤0.5时；ReD≥4000；对于β＞0.5的孔板；ReD≥16000β2对于法兰取压的孔板：d≥12.5mm；50mm≤D≤1000mm；0.1≤β≤0.75；ReD≥5000和ReD≥170β2D；式中D的单位是mm。当管径D＜150mm时，必须计算孔板上游管道的相对粗糙度Ra/D，该Ra/D值在上游10D的长度范围内都应满足下表（104Ra/D的最大值）的要求（此粗糙度要求与孔板配件和上游管道有关。对孔板下游管道粗糙度无要求）。标准孔板的使用条件对于三种取压方式的孔板，计算介质可膨胀性系数ε的经验公式如下：适用于各种气体，空气，蒸汽，天然气等。])/(1)[93.0256.0351.0(1/11284pp此公式的适用范围：（p2/p1）≥0.75，1-15采用新公式来计算孔板的介质可膨胀系数ε（一）4对孔板上下游所要求的最小直管段长度提出全新及更长的要求表中A栏的长度是指“零附加不确定度”的。B栏的长度是指“0.5%附加不确定度”的。1-164对孔板上下游所要求的最小直管段长度提出全新及更长的要求单个90度弯头对孔板流出系数的影响单个90度弯头对孔板流出系数的影响单个90度弯头（无流动调整器）对β=0.5的孔板流量计的影响1-17孔板上游管道相对粗糙度的上限值104Ra/DRa为偏离被测轮廓平均线的算术平均偏差。1-18/KRa式中：K为等效绝对粗糙度，以长度单位表示。βReD≤1043×1041053×1051063×1061073×107108≤0.201515151515151515150.301515151515151514130.401515107.24.13.53.53.12.70.50117.74.93.31.61.31.31.10.90.605.64.02.51.60.70.60.60.50.4≥0.654.23.01.91.20.60.40.40.30.3D≤150mm时的粗糙度要求1-19当管径D大于或等于150mm时，在以下不同情况下，应满足以下的粗糙度Ra的要求：当β≤0.6并且ReD≥5×107时，1μm≤Ra≤6μm；当β＞0.6并且ReD≥1.5×107时，1.5μm≤Ra≤6μm。管道内壁粗糙度对孔板流出系数的影响1-201-21式中：C——流出系数;β——直径比，β=d／D；d——喉部内径，m；D——管道内径，m；ReD——与D有关的雷诺数。1.15D615.421.4)Re100033.000175.02262.09900.0C）（ββ（βISA1932喷嘴的流出系数1-220.5D65.0)Re1000653.09965.0C（β长径喷嘴的流出系数式中：C——流出系数;β——直径比，β=d／D；d——喉部内径，m；D——管道内径，m；ReD——与D有关的雷诺数。1-23式中：α——流量系数；C——流出系数；——渐近系数；β——直径比。在流量计中，都有一个流量系数，它是描述流量计输出与输入关系的一个术语。在标准差压式流量计中，流量系数为121m4P2d4q1cρ△επβα41β流出系数的定义及α与流出系数的关系C=f（ReD)关系的形象化描述C0.63000.62000.61000.603512351030102103104RCD×1040.62910.61870.61470.61110.60800.60550.60430.60360.6035图1.1C=f（ReD）关系曲线1-24ReD流出系数在低雷诺数时变化较大对C进行实时计算或用折线进行补偿，能使低流量段精度得到提高。q在0-100%范围内变化时，ReD变化幅值很大，所以C有明显变化例（见图）：ReD=时，C=0.6043ReD=时，C=0.6080这就意味着百分率流量越小，示值偏低越严重。6105101-251-26标准差压装置输出的差压等于正端取压口压力P1与负端取压口压力P2之差。由于差压从管壁取出，所以受流场影响。ReD大时，管壁取压得到的流速与管道内平均流速很接近。ReD小时，管中心流速比管壁附近流速高很多，所以管壁测得的流速比管道内平均流速低得多。C=f（ReD)公式就是对这一现象做数学描述。均速流量计采用多点取压，C不受图1.2层流和湍流的速度分布C为什么受（ReD）影响ReD影响。C非线性校正的影响幅值％qmmaxReDCkα102030405060708090100990431980872971303961734952175942606933037923478913909904330.6062900000.6049383300.6044182880.6041343930.6039527140.6038252610.6037302960.6036564550.6035971870.6035484301.004521.002301.001441.000971.000671.000461.000301.000181.000081.00000C及kα数据表1-27可膨胀性系数定义1-28差压式流量计（孔板、喷嘴、文丘里管等）在用来测气体和蒸汽流量时，流体流过节流装置，在节流件两边都要产生一定的压差，节流件的下游静压降低，因而出现流束膨胀，流束的这种膨胀使得节流装置的输出（差压）-输入（流量）关系同不可压缩流体之间存在一定的偏差，如果不对这种偏差进行校正将会导致流量示值偏高千分之几到百分之几，在β和△p／p1均较大的情况下甚至可达10%。可膨胀性系数(expansibilityfactor)ε就是为修正此偏差而引入的变量。ε1变化对流量示值的影响q在0-100%内变化，相应Δp也在0-100%范围内变化，不同的q对应不同的ε1。q变化范围越大，对应的ε1值差异越大，若仍将其当常数看待，引入的不确定度相应增大。百分率流量越小，Δp越小，ε1越大，流量示值偏低越严重。对ε1进行在线计算，从而实现ε1的校正，提高全量程的精度。1-29由F1供F3（F2关闭），两套表基本相符。由F2供F3（F1关闭），两套表基本相符。由F1和F2共同供F3，供方比需方（FIQ3）低1.5~3%。1-30C和ε1非线性引起误差的例子（一）浙江宁波某热电厂有相同规格的三套孔板流量计，FIQ1F10~100t/hFIQ2F20~100t/hFIQ3F30~100t/h常用70t/h1-31C和ε1非线性引起误差的例子（二）分析：F1或F2单供时，前后两套表具有相同的C和ε1。由F1和F2共同供F3时，需方表计的C和ε1与计算书吻合，但F1和F2由于只有常用流量的一半左右，所以ReD小→C大，ΔP小→ε1大。将实际数据代入计算，C的原因引起供方表偏低约0.1%；ε1的原因引起供方表偏低约1.5%。由于差压变送器高低压室内排气不彻底，也引入一定的不确定性。标准差压式流量