摘要(yào):對不滿足(zú)規定的多脈動源形(xíng)成的複雜脈動流(liú)對孔闆(pǎn)流童(tóng)計(jì)
的影響(xiǎng)。結合實際情況(kuàng)提出了複雜脈(mò)動流條件下孔闆流(liú)童(tóng)計計童(tóng)誤差的估計方法,并通過對實(shí)際管道(dào)中複雜(zá)脈動(dòng)流(liú)的測試和分(fèn)析(xī),得出不同脈動工況(kuàng)下(xià)孔闆(pǎn)流黃計計(jì)童誤差範圍。
孔(kǒng)闆流(liú)量計是目前工(gōng)業生産中(zhōng)用來測(cè)量氣體(tǐ)、液體和蒸汽流(liú)量應用(yòng)廣(guǎng)泛的一種(zhǒng)流量儀表(biǎo),據調查統計,孔(kǒng)闆流量計占流(liú)量儀(yí)表用(yòng)量的(de)60%一70%。雖然它(tā)存在(zài)阻力損失(shī)大,安(ān)裝時需要直管(guǎn)段較長等缺點,但它(tā)具有結構(gòu)簡單,安(ān)裝(zhuāng)方便(biàn),工作可靠,成本(běn)低(dī),具有一(yī)定精(jīng)度以及結(jié)構已(yǐ)标準化,不(bú)需要(yào)單獨(dú)标(biāo)定等優點,能滿足(zú)工程測量的需要。同(tóng)時,在設(shè)計、制造和應用孔闆流(liú)量計(jì)時,又有國(guó)際标(biāo)準iso5167爲依據,因此在(zài)實(shí)際工(gōng)程中被(bèi)廣泛的(de)應用(yòng)。在大口徑(jìng)煤氣管(guǎn)道的測(cè)量中,也将孔闆作爲(wèi)首(shǒu)選儀表(biǎo)。
根據iso5167的規定,應(yīng)用标準孔(kǒng)闆的(de)一個(gè)很(hěn)重(zhòng)要的(de)前提條件之一(yī),是管道中(zhōng)的介(jiè)質流動爲穩定流動(dòng)。當孔(kǒng)闆應(yīng)用于脈動流情況下(xià)時,作爲标(biāo)準的(de)iso5167将不再适(shì)用。而且,由于脈(mò)動流(liú)動(dòng)的影響(xiǎng),孔闆流量(liàng)計的流量(liàng)示值會産(chǎn)生很大的誤差(chà)。
國際标準化組(zǔ)織iso于(yú)1992年通過了技術報告儀iso/跟(gēn)tr3313《使用(yòng)孔闆(pǎn)、噴嘴(zuǐ)或文(wén)丘利管測(cè)量管道中脈動的流(liú)體流動》圖(tú),主要是針(zhēn)對單(dān)脈動(dòng)源形成的周期脈動(dòng)流,讨論了孔闆流量計測量脈動流時應遵(zūn)循的一(yī)些指導原則,并(bìng)指出(chū)了一定的(de)脈動幅值範(fàn)圍(wéi)内流量計(jì)測量(liàng)示值誤(wù)差(chà)的估(gū)計公式。
煤氣廠(chǎng)外輸煤氣(qì)管道(dào)中的流量計量(liàng)問題時,遇(yù)到的(de)脈動氣流是一(yī)種由(yóu)多個脈動源形(xíng)成(chéng)的,脈動(dòng)幅值較(jiào)大的(de)非(fēi)正弦(xián)、無明(míng)顯周(zhōu)期性且(qiě)受輸出(chū)端變化(huà)負(fù)載影(yǐng)響的(de)複雜(zá)脈動(dòng)流動。在運(yùn)用孔闆流量計測量(liàng)這種複雜脈動(dòng)氣流(liú)時,如何估計其指示流量(liàng)值的誤差(chà)範(fàn)圍(wéi),這己超過廠技(jì)術規程iso/跟(gēn)tr3313中的規定。
經過(guò)一年(nián)多的以(yǐ)iso/跟(gēn)tr3313爲主(zhǔ)要依據,在理論(lùn)分析的(de)基(jī)礎上,提出(chū)了一(yī)種複雜脈(mò)動流(liú)條件(jiàn)下孔闆流量計(jì)示值誤差估(gū)計的工程實用方法。實驗結果表明,按這種方法估(gū)計的(de)複雜脈(mò)動流(liú)動情況下(xià)的孔闆流(liú)量計(jì)誤差與生産部(bù)門的(de)長期統計數據基本相符(fú)。
一、脈動流(liú)對孔闆流量計(jì)影響(xiǎng)的羞本(běn)原(yuán)理
脈(mò)動流(liú)對孔闆流量計示值(zhí)誤差的影(yǐng)響來(lái)自兩(liǎng)個方(fāng)面:一(yī)是對(duì)孔闆(pǎn)流(liú)量計一(yī)次元件(jiàn)産生的影響,即孔闆流(liú)量計在(zài)測(cè)量脈(mò)動流時所存在(zài)的原理上(shàng)的誤(wù)差;二(èr)是對孔闆(pǎn)流量計信号傳遞及轉(zhuǎn)換系(xì)統(tǒng)和流量計算方(fāng)法所産生(shēng)的影(yǐng)響(見圖l)。
從脈動(dòng)流條件下孔闆(pǎn)(一次元件)響應行爲的研(yán)究中可(kě)以得到(dào),在管道中的流(liú)動爲一維流動(dòng)的假設下,孔闆(pǎn)對脈動流(liú)的響應可根據非穩(wěn)定流(liú)動量(liàng)方程和連(lián)續(xù)性方程(chéng)導出(chū)比41:
式中
q(t)—管道中的被測流(liú)量(liàng)信号(hào)
△p(t)—孔(kǒng)闆兩(liǎng)側的(de)差壓信(xìn)号(hào)
ρ—流體密度(dù)
k1、k2—系數
其物理意義爲(wèi):
①在脈動(dòng)流動狀(zhuàng)态下(xià),孔闆流量(liàng)計的基本特性沒有改變(biàn),即它(tā)的輸出△p(t)與(yǔ)輸人(rén)量q(t)之間仍然保(bǎo)持着均方根的(de)關系。
②此時孔(kǒng)闆(pǎn)兩側的差壓信(xìn)号可(kě)視(shì)爲兩部分組(zǔ)成:一部分(fèn)是(shì)流體通(tōng)過節(jiē)流孔時遷移(yí)加速(covnectioaccel-acecel)産生的(de)差壓,在理想情況下(xià)這部(bù)分差(chà)壓與(yǔ)該瞬時脈動流(liú)量質(zhì)量相同(tóng)的(de)流體在穩定流(liú)動時産生的差(chà)壓△p(t)。相(xiàng)同;另(lìng)一部(bù)分是(shì)由于要克(kè)服流體慣(guàn)性以(yǐ)實現流體瞬時(shí)加速(sù),即(jí)dq(t)/dt引(yǐn)起的額外(wài)差(chà)壓△p(t)。所以(yǐ),脈動流産(chǎn)生的(de)差壓爲(wèi):
因此,用(yòng)孔闆測(cè)量脈動流時(shí),其(qí)差壓輸(shū)出值會增大(對相同的平均流(liú)量而(ér)言),并産生流量(liàng)示值正誤(wù)差,國外的(de)研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證(zhèng)實了這一結論(lùn)。
在滿足iso/tr3313規定的(de)阻尼和安(ān)裝條件的前提下,假(jiǎ)定不考慮孔闆流量計的二次(cì)儀表(biǎo)(包(bāo)括(kuò)
差壓(yā)變送器
和導壓管線(xiàn))的誤差,且(qiě)脈動的(de)瞬時差(chà)壓值是(shì)采(cǎi)用快(kuài)速響應(yīng)的儀(yí)表(biǎo)直接(jiē)在孔(kǒng)闆處(chù)測得的,那麽,對(duì)于不(bú)可壓縮流體,用(yòng)上(shàng)述方法(fǎ)測得(dé)的差壓值(zhí)取時間平(píng)均值(zhí)後,按iso 5167給出(chū)的公(gōng)式計(jì)算得到的(de)流量值(zhí)與(yǔ)實際(jì)的平(píng)均流(liú)量值之間将有一個(gè)正的系統(tǒng)誤差(chà)er,并可按下(xià)列公式(shì)估計(jì):
可以按(àn)下列(liè)公式估計(jì)流量示值(zhí)誤差(chà):
由于脈動(dòng)效應在二(èr)次裝置(導(dǎo)壓管線、差(chà)壓變(biàn)送器)會引起孔(kǒng)闆流量計(jì)示值的随機不确定(dìng)性,特别是在二次裝置中(zhōng)差壓(yā)的進步畸(jī)變,會導緻流量計算(suàn)中孔闆(pǎn)均方根校正的失敗。另(lìng)一(yī)方(fāng)面(miàn),孔闆的(de)流出(chū)系數在脈(mò)動流狀态(tài)下的(de)變化(huà)也會導緻流最示值的附(fù)加不(bú)确定(dìng)度。因(yīn)此,采(cǎi)用孔闆流(liú)量計(jì)測量脈動(dòng)流時,不能(néng)直接應用iso 5167,必須先按(àn)照(zhào)iso/tr 3313的要求進行設計,但安裝(zhuāng)要(yào)求等仍應(yīng)滿足(zú)iso 5167的規(guī)定(dìng)。
二(èr)、實際(jì)輸送(sòng)過程及測裏系(xì)統(tǒng)
1.煤氣生(shēng)産傳輸流(liú)程簡(jiǎn)介
某煤氣廠煤(méi)氣的生産(chǎn)和傳輸過(guò)程如(rú)圖2所(suǒ)示(shì)。煤氣發生爐産生的煤氣,經(jīng)傳輸管路(lù)分别(bié)輸人(rén)和存(cún)儲在(zài)1“、2“、3”三個儲氣櫃中(zhōng)。當需(xū)要(yào)向城市(shì)煤氣管網(簡稱(chēng)外網)供(gòng)氣(qì)時,可(kě)根據需要,同時開啓(qǐ)不同台數(shù)的往複(fú)式活塞(sāi)壓縮(suō)機(jī),将儲(chǔ)氣櫃中的煤氣抽出,壓縮後排人(rén)彙流管和(hé)采集(jí)管(guǎn),然後分别從(cóng)南、北兩條直徑(jìng)爲630n二(èr)的(de)管(guǎn)線送(sòng)人城市管網。
2.煤氣流(liú)量計計量(liàng)系統(tǒng)
計量(liàng)煤氣流量(liàng)的2台孔闆流量計分别安(ān)裝在(zài)南、北管線(xiàn)_l,與孔(kǒng)闆配套的(de)2台差(chà)壓變送器(qì)被安(ān)裝在管道一側(cè)的儀表箱(xiāng)内,差(chà)壓變(biàn)送器的(de)輸(shū)出信(xìn)号(hào)通(tōng)過導(dǎo)線接(jiē)到(dào)安裝在(zài)控制(zhì)室内的二(èr)次儀表。
該煤氣(qì)廠現(xiàn)有(yǒu)的
煤氣(qì)流量(liàng)計
量儀表(biǎo)系統,按其(qí)功能分成(chéng)現場檢測(cè)、信(xìn)号轉換和流(liú)量積算打印三個部分,圖(tú)3爲計量系統構成圖(tú)。
圖3中(zhōng),現場流量檢測采(cǎi)用可換(huàn)孔闆節(jiē)流裝置(zhì),該裝置(zhì)能确保(bǎo)孔闆在管(guǎn)道中(zhōng)的垂直度和同(tóng)心度符合國家标準(zhǔn)。信(xìn)号轉換部分應用(yòng)k系列(liè)差壓變(biàn)送器。
流(liú)量積(jī)算儀(yí)
和打印(yìn)部分(fèn)采用大(dà)量程比質量流(liú)量儀,該儀表能(néng)對現場壓力、溫(wēn)度、雷諾數進行在線補償(cháng),其鼠(shǔ)程比爲1:01,高于常規質量流(liú)量儀(yí)表。其采(cǎi)樣時間(jiān)爲每10胖采個數(shù),連續(xù)采(cǎi)8路(每路(lù)采10次)然後取平均,計(jì)算(suàn)周(zhōu)期爲5。
此外,煤氣的成(chéng)分分析、含水(shuǐ)量(liàng)及灰塵雜(zá)質等(děng)數據(jù)的測量,由(yóu)專門(mén)工作人員(yuán)按(àn)規定(dìng)的抽樣(yàng)檢驗(yàn)時刻(kè)完成。
3.煤氣輸送管道(dào)中的煤(méi)氣流動狀況(kuàng)
該(gāi)煤氣廠(chǎng)煤氣(qì)輸送(sòng)管道(dào)中的(de)煤氣流動(dòng)是一(yī)種複(fú)雜的(de)脈動流(liú)動工況。圖4、圖5反(fǎn)映了流速的(de)脈動狀況(kuàng)。
對于不(bú)同工況(kuàng)下的脈(mò)動流動(dòng),除廠排(pái)出流量的大(dà)小不同以(yǐ)外,所産生的脈(mò)動頻率和脈動(dòng)幅值也都(dōu)有所區别。從(cóng)實驗分(fèn)析的結果來看(kàn),随着開機台數(shù)的增加,脈動頻(pín)率逐漸升高,脈(mò)動幅值逐(zhú)步降(jiàng)低。
通(tōng)過實(shí)際測(cè)試還可以得到(dào),在不(bú)同的季節和開機狀(zhuàng)态下(xià),外網(wǎng)負(fù)載(壓力(lì))也發(fā)生變(biàn)化,其變(biàn)化範圍爲0.05~0.14mpa,變(biàn)化幅值達(dá)到土50%。
當外(wài)網負載變(biàn)化時,由多(duō)脈動源形(xíng)成的複雜(zá)脈動流的波形也有所變化(huà)。除(chú)了随(suí)着外網負載的變化(huà),壓縮機的(de)開(kāi)機工況不同(tóng)外(wài),在同一(yī)工.況(kuàng)情況蔔,壓(yā)縮機的工(gōng)作狀(zhuàng)态也(yě)發生變化(huà),随着外網負載壓力的升(shēng)高.壓(yā)縮機(jī)的一工作效率降(jiàng)低,排氣(qì)城減少,針道中流體脈動的頻率(lǜ)和(hé)幅值也都(dōu)随之發生(shēng)變化(huà).
三、煤氣輸送管道中脈動(dòng)流動(dòng)的測量
對(duì)孔闆(pǎn)在(zài)複雜脈動流(liú)動狀(zhuàng)态(tài)蔔的響(xiǎng)應行(háng)爲進(jìn)行分(fèn)析時(shí),可以(yǐ)得到(dào)流體(tǐ)運動(dòng)學最(zuì)基本的非穩定(dìng)流的動吊(diào)-方程(chéng)和連續性方程(chéng)仍然成立(lì)。因此,在讨(tǎo)論(lùn)孔闆前(qián)後取壓孔之間(jiān)的差(chà)壓信号△p(t)與(yǔ)被測脈動流鼠q(t)之間(jiān)的關系時(shí),做如下假設,即
①在流(liú)體流過孔(kǒng)闆時,仍被認爲是維(wéi)流(liú)動;仁)在全部複雜(zá)脈動(dòng)流動(dòng)過程中,流(liú)體的(de)流線形狀(zhuàng)不發生(shēng)改變、根(gēn)據這(zhè)些假(jiǎ)設,對于不(bú)可壓(yā)縮流(liú)體,從(cóng)兩個基本(běn)方程出發差服(fú)信号△p(t)與被測脈(mò)動流量q(t)之間關(guān)系可(kě)以用公式表示:
由此,可以(yǐ)得(dé)到(dào):
在複雜脈動流動狀态下(xià),描述(shù)孔闆(pǎn)的非(fēi)定常流(liú)動的基(jī)本方(fāng)程沒(méi)有發(fā)汁(zhī)改變,即它的(de)輸出量△p(t)與輸(shū)入(rù)量q(t)之問仍然保(bǎo)持均(jun1)方根關系,并同樣受到脈(mò)動(dòng)流狀态蔔,流(liú)體的(de)瞬時慣性作川和流(liú)辰系(xì)數變(biàn)化的影響(xiǎng)。
②iso/tr3313中所讨論(lùn)的單(dān)一脈動源、周制(zhì)期性脈動(dòng)流的(de)情況相比(bǐ)發生變化、在(zài)複雜脈動流(liú)的狀況下(xià),式(10)中的系(xì)數人,所代表的瞬時(shí)慣性的影(yǐng)響和k2所代農的流量(liàng)系數變化的影響(xiǎng)也(yě)就不同了(le)。
.在分析煤氣廠(chǎng)外輸煤氣針道(dào)中複雜脈動流(liú)測量(liàng)誤差範圍(wéi)時,主要考(kǎo)慮以(yǐ)蔔兩個方面:
任(rèn)何周(zhōu)期信(xìn)号均可用傅(fù)立葉分(fèn)析的(de)方(fāng)法(fǎ),分解(jiě)成若(ruò)幹個周期(qī)信号之和(hé),非周(zhōu)期脈(mò)動(dòng)對孔闆(pǎn)流量計(jì)輸出差(chà)壓信号的影響(xiǎng),可以看做是若(ruò)幹個單一頻率(lǜ)周期脈動(dòng)的作(zuò)用之(zhī)和(hé)(條件是(shì)基頻響應遠大(dà)于(yú)其它諧波分(fèn)量影響)。
②利(lì)用現(xiàn)場存(cún)在獨立的(de)質量流量(liàng)參考(kǎo)系,即(jí)用時間容積(jī)+密度的測量(liàng)方法(fǎ)可(kě)以(yǐ)确定(dìng)被壓縮(suō)機(jī)抽取(qǔ)的煤(méi)氣質量流(liú)量(穩态(tài)值(zhí)),爲現(xiàn)場計量(liàng)系(xì)統提(tí)供“點”檢驗數據(jù),并對(duì)其它(tā)各種(zhǒng)因素(包括(kuò)二次(cì)儀表(biǎo)、流(liú)量(liàng)系數(shù)變化等)造(zào)成疊(dié)加誤(wù)差和計算(suàn)中帶來(lái)的誤差(chà)進行(háng)校(xiào)正。
根據(jù)以上描述,以iso/tr3313爲主(zhǔ)要(yào)參考,提出(chū)一種工程實用(yòng)方法(fǎ)來估計該(gāi)孔闆流(liú)量計測(cè)量複(fú)雜脈動流(liú)時所(suǒ)産生(shēng)的附加誤(wù)差。
用孔闆(pǎn)測量(liàng)差差壓脈動信(xìn)号(hào)的時間(jiān)曆程,進而(ér)确定(dìng)脈動幅(fú)度。
②對差(chà)壓△p(t)信号進行(háng)傅(fù)立葉分析,确定(dìng)脈動信(xìn)号(hào)的基頻和其它各次(cì)諧(xié)波及相(xiàng)應的(de)幅值(zhí)。
③關于實際(jì)煤氣管網變負(fù)載的(de)影(yǐng)響(xiǎng),采取(qǔ)在線監測、補償(cháng)的處(chù)理方法。這(zhè)樣可以認爲,孔(kǒng)闆流量計的每(měi)個測量(liàng)點是在(zài)相對穩(wěn)定的負(fù)載條件下(xià)測量(liàng)脈動(dòng)流。
④取(qǔ)現場(chǎng)标定得(dé)到(dào)的不同台(tái)壓(yā)縮機的(de)平均(jun1)排氣(qì)量,作爲不(bú)同脈(mò)動狀(zhuàng)況下(xià)管道(dào)中煤氣的(de)平均流量(liàng)(即穩态流量值(zhí)),進而計算得到(dào)穩定差壓值△ps。
⑤運(yùn)用iso/tr3313中的誤差(chà)估(gū)計公式(shì),對(duì)孔闆(pǎn)流量計(jì)的(de)示值誤差進行(háng)估算,得出一、二、三、四(sì)台機工(gōng)作時各(gè)自對(duì)應的流量(liàng)顯示值(zhí)誤(wù)差et。
⑥在(zài)現場的儀(yí)表測(cè)量(liàng)取多(duō)次平均結果的前提下,将現場流量計(jì)二次(cì)儀(yí)表的指示值(zhí)qv(标方(fāng))與壓(yā)縮機的平均輸(shū)出流(liú)量值(zhí)qs相比(bǐ)較,可(kě)以得到現(xiàn)場流量儀表的示值(zhí)誤差ev。
⑦以現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣櫃爲标(biāo)準容積(jī),采用時(shí)間一容積法對(duì)壓縮機抽(chōu)取氣(qì)體質(zhì)量流量進行現(xiàn)場标定,以(yǐ)作爲上述誤差估計方(fāng)法的“點(diǎn)”校驗(yàn).
四、實驗測試結(jié)果
1.管道中(zhōng)煤氣(qì)氣流(liú)脈動(dòng)狀況
根據iso/tr3313中的(de)要求,主要(yào)讨論(lùn)以下(xià)幾個基本參數(shù):
①脈動(dòng)幅值
在現有條(tiáo)件下(xià),通過實驗測試(shì)和計算可以得(dé)到不同脈(mò)動工(gōng)況下,差(chà)壓脈動(dòng)幅值的變(biàn)化範(fàn)圍,如(rú)表l所不。
從(cóng)表l可以得到,外(wài)輸煤氣(qì)管道中差壓(yā)脈動的幅值均已(yǐ)超過iso/tr3313中(zhōng)規定的脈動流(liú)動與穩定(dìng)流動(dòng)區别的(de)阚值。因此,對于(yú)各種開(kāi)機工況,均應作(zuò)爲脈動流動來(lái)考慮。
從表(biǎo)2可以(yǐ)得到,不(bú)同脈動(dòng)工況下流速的(de)脈動(dòng)諧波頻率(lǜ)集中在較(jiào)低(dī)頻(pín)的範(fàn)圍。因(yīn)此可(kě)以認爲,外輸煤(méi)氣管道(dào)中氣體(tǐ)的脈動流動屬(shǔ)于低頻範圍的(de)複雜(zá)脈動(dòng)流動。
2.流量示值(zhí)誤差(chà)
根據實(shí)測的差壓(yā)值(zhí),以在1個大(dà)氣壓、0℃狀态下,管(guǎn)道壓力爲0.1mpa左右(yòu)時,現場标定的(de)壓縮(suō)機排氣量(liàng)87m3/min爲(wèi)穩(wěn)态(tài)流量值,按iso/tr3313中公式(shì)進行計算的(de)脈(mò)動誤(wù)差如表3所示。
如(rú)果考慮(lǜ)按(àn)不同的開(kāi)機台時比(bǐ)例計算綜(zōng)合流量示值誤差爲(wèi):
根據實際(jì)開機台時(shí)統計,假設(shè)l、2、3、4台機的開(kāi)機時(shí)間比(bǐ)爲0.5:4:1:4.5,則其總(zǒng)綜合流量(liàng)示值誤差(chà)爲:17.5%一22.5%。
3.實際統計(jì)結(jié)果
根據(jù)有(yǒu)關(guān)統計結果(guǒ),現有計量(liàng)儀表(biǎo)系統的平(píng)均煤(méi)氣計量與(yǔ)壓縮機累(lèi)積台(tái)時(壓縮機排氣量以90m3/min計算)相比,分别(bié)相差13.56%和(hé)13.2%一19.2%,換算(suàn)到壓縮(suō)機排氣(qì)量(以87m3/min計算)時,則(zé)相差(chà)比例如表(biǎo)4所示。
五(wǔ)、結論
通過對煤氣(qì)廠輸(shū)氣管線(xiàn)中脈動流動(dòng)對孔(kǒng)闆流(liú)量計計量影響的現(xiàn)場測試分(fèn)析,可以得到,現(xiàn)有的(de)流量計量(liàng)誤差,主要(yào)是孔(kǒng)闆(pǎn)流量計工作(zuò)在脈動流(liú)狀态(tài)時,其本身的工(gōng)作條件(jiàn)發(fā)生變化的結果。也就(jiù)是(shì)說(shuō),即使儀表(biǎo)本身(shēn)工作完全正常,在脈(mò)動流狀态下(xià)由儀表(biǎo)組成的(de)測量系統同(tóng)樣會(huì)産生(shēng)明顯的流(liú)量示值誤差。
通過對(duì)多脈動源、非周(zhōu)期、高(gāo)幅值(zhí)脈動(dòng)流(liú)動狀态下孔(kǒng)闆流量計(jì)示值(zhí)誤差估計的研(yán)究所(suǒ)提出的工(gōng)程實用方法,對(duì)煤氣廠外(wài)輸煤(méi)氣管道中煤氣流量計量誤差的估計(jì),具有一(yī)定的幫(bāng)助作用(yòng)。
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