褚斌峰，紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1. 嘉科工程(蘇州)有限公司 上海分公司，上海200070；2. 上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海200070)

不同原理的流量計(jì)，流體溫度和壓力的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響各不相同，因此在測(cè)得流體的溫度和壓力后，要按規(guī)定的關(guān)系式進(jìn)行補(bǔ)償。流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由于流量傳感器、各種阻流件的影響，在管道的不同部位測(cè)得的溫度和壓力值也會(huì)有很大差異，因此用作流量測(cè)量溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量點(diǎn)的位置也有明確規(guī)定，不能隨意確定。

下面以幾種典型流量計(jì)為例，論述流量測(cè)量中溫度壓力檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的有關(guān)問(wèn)題。

1 渦街流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

1.1 渦街流量計(jì)工作原理

在流體流動(dòng)的管道中設(shè)置1個(gè)旋渦發(fā)生體(阻流件)，于是在發(fā)生體下游就會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱(chēng)為卡曼渦街，該旋渦的頻率與流過(guò)發(fā)生體的流速成正比關(guān)系。由于旋渦流量傳感器的流通截面積是1個(gè)常數(shù)，因此旋渦的頻率與流過(guò)發(fā)生體的流體體積流量成正比[1-2]，如式(1)所示：

(1)

式中：qVf——旋渦發(fā)生體出口的工況體積流量，m3/h；f——旋渦頻率，P/s；Kt——工作狀態(tài)下流量系數(shù)，1/m3。

1.2 溫度壓力補(bǔ)償?shù)哪康?/h3>

1.2.1氣體流量測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償

在氣體流量測(cè)量中，測(cè)得工作狀態(tài)體積流量不是最終目的，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量才是最終目標(biāo)。由工作狀態(tài)體積流量到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量的換算，一般在流量演算器中完成，其依據(jù)如式(2)[3]：

(2)

式中：qVf——工況條件下的體積流量，m3/h；qVn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，m3/h；pf，pn——工作狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體絕對(duì)靜壓，MPa，pn=0.101 325 MPa；Tf，Tn——工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體熱力學(xué)溫度，K，Tn=293.15 K；Zf，Zn——工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)。

在式(2)中，Zf和Zn一般由流量演算器按設(shè)計(jì)好的程序自動(dòng)計(jì)算得到[4]，qVf由式(1)計(jì)算得到，而pf和Tf則必須經(jīng)實(shí)測(cè)得到。

1.2.2蒸汽流量測(cè)量的溫度壓力補(bǔ)償

在蒸汽流量測(cè)量中，雖然也有溫度壓力補(bǔ)償，但補(bǔ)償?shù)囊饬x與式(2)完全不同[3]。

用渦街流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量的系統(tǒng)中，測(cè)量的目的是得到蒸汽質(zhì)量流量值，如式(3)所示：

(3)

式中：qm——質(zhì)量流量，kg/h；ρf——工況條件下的旋渦發(fā)生體出口蒸汽密度，kg/m3，可通過(guò)查蒸汽密度表得到。

1)對(duì)于過(guò)熱蒸汽，可由流量演算器按式(4)自動(dòng)查蒸汽密度表得到：

ρf=f(pf，tf)

(4)

式中：tf——工況條件下的蒸汽溫度，℃。

2)對(duì)于飽和蒸汽，可由流量演算器按式(5)和式(6)自動(dòng)查蒸汽密度表得到：

ρf=f(pf)

(5)

ρf=f(tf)

(6)

由于蒸汽的狀態(tài)隨溫度壓力參數(shù)而變化，因此有些蒸汽流量計(jì)安裝地點(diǎn)的蒸汽狀態(tài)難以確定，有時(shí)處于過(guò)熱狀態(tài)，有時(shí)處于飽和狀態(tài)。白天管道內(nèi)流速高，處于過(guò)熱狀態(tài)；夜間管道內(nèi)流速低，進(jìn)入飽和狀態(tài)。這時(shí)，應(yīng)對(duì)其溫度壓力都進(jìn)行測(cè)量，由流量演算器自動(dòng)判斷，如果處于過(guò)熱狀態(tài)，則儀表自動(dòng)轉(zhuǎn)向根據(jù)式(4)查過(guò)熱蒸汽密度表；如果已進(jìn)入飽和區(qū)間，則儀表自動(dòng)轉(zhuǎn)向按式(5)查飽和蒸汽密度表。

利用蒸汽的溫度壓力參數(shù)自動(dòng)判斷蒸汽處于過(guò)熱狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，原理如圖1所示[3]。關(guān)鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線(xiàn)的下方還是上方，如果落在下方，則為過(guò)熱狀態(tài)；如果落在上方，則為飽和狀態(tài)。

圖1 利用蒸汽溫度和壓力參數(shù)判斷蒸汽狀態(tài)的原理

在這種情況下，一般壓力測(cè)量精確度高，查表得到的密度值的精確度也比較高[4]，因此通常采用式(5)求取密度，式(6)一般不采用。

1.3 溫度壓力測(cè)量點(diǎn)位置的選取

氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過(guò)渦街流量傳感器時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。因此，在管道上不同位置開(kāi)口測(cè)流體的絕對(duì)靜壓，得到的結(jié)果也不同。在旋渦發(fā)生體上游處，靜壓最高；在旋渦發(fā)生體流速最高處，靜壓最低，再往下游，靜壓會(huì)有少許恢復(fù)。

旋渦發(fā)生體前后的永久性壓降，橫河公司提供了計(jì)算公式如式(7)所示：

Δp=1.08ρfv2

(7)

式中： Δp——旋渦發(fā)生體前后壓降，Pa；v——介質(zhì)流速，m/s。

以橫河公司YF100系列旋渦流量計(jì)為例，不同型號(hào)流量?jī)x用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏囟葔毫y(cè)量點(diǎn)的安裝位置有不同的要求。壓力測(cè)點(diǎn)到旋渦發(fā)生體的上限距離與下限距離有很大差異。從3.5D～5.5D到3.5D～7.5D，使設(shè)計(jì)人員犯難，因此研究該距離對(duì)儀表的準(zhǔn)確安裝有重要意義。

仔細(xì)研究橫河渦街產(chǎn)品的發(fā)展歷史，在*CD型儀表發(fā)展階段，渦街流量計(jì)最小通徑只能做到DN25，對(duì)于DN25渦街產(chǎn)品，5.5D即為138 mm，在法蘭下游的管道上開(kāi)取壓口，在工程上還是可行的。但到了*D型儀表發(fā)展階段，最小通徑可達(dá)到DN15，同樣是5.5D，但對(duì)應(yīng)的尺寸變?yōu)?3 mm，要在如此短的距離上開(kāi)取壓口，需要放寬距離以滿(mǎn)足工程中的需求。無(wú)論哪種情況，實(shí)際上兩者本質(zhì)上是一致的。

2 差壓流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)

差壓式流量計(jì)的種類(lèi)很多，下面以使用最多的標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)為例，說(shuō)明溫度壓力測(cè)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)。

2.1 差壓流量計(jì)工作原理

差壓流量計(jì)工作原理如式(8)所示：

(8)

式中：C——流出系數(shù)；β——直徑比，β=d/D；D——管道內(nèi)徑，m；d——工作條件下節(jié)流件的開(kāi)孔直徑，m；ε1——節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù)；ρ1——節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度，kg/m3。

差壓流量計(jì)的本質(zhì)是質(zhì)量流量計(jì)，在式(8)中，沒(méi)有出現(xiàn)溫度和壓力這兩個(gè)變量，但應(yīng)用這種流量計(jì)測(cè)量氣體和蒸汽的流量時(shí)，流體溫度和壓力的變化，會(huì)使式中的密度ρ1產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響流量示值。

對(duì)于組分穩(wěn)定的氣體，可用式(9)計(jì)算ρ1：

(9)

式中：p1——節(jié)流件正端取壓口平面上的流體壓力，MPa；pn——?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，取值為0.101 325 MPa；Tf1——節(jié)流件正端取壓口平面上的流體溫度，K；Zf1——工作狀態(tài)下氣體壓縮系數(shù)，純數(shù)；ρn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體密度，kg/m3。

對(duì)蒸汽來(lái)說(shuō)，可用式(10)由流量演算器自動(dòng)查表的方法得到ρ1[5]：

ρ1=f(p1，Tf1)

(10)

毫無(wú)疑問(wèn)，式(9)和式(10)都表明，壓力取自正端取壓口，在具體實(shí)施時(shí)也比較方便，難的是正端取壓口處的流體溫度的測(cè)量。

文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]的相關(guān)內(nèi)容規(guī)定：“流體溫度最好在一次裝置下游測(cè)量，測(cè)量時(shí)需特別小心。溫度計(jì)套管或插套所占空間應(yīng)盡可能小，如果插套位于下游，其與一次裝置之間的距離至少應(yīng)為5D，當(dāng)流體是氣體時(shí)，最大為15D。如果套管位于上游，則根據(jù)一次裝置的形式，采用規(guī)定的值”。

該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，一般可以假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想流體，而又需要計(jì)量準(zhǔn)確，且上游取壓口和一次裝置下游測(cè)溫處又存在較大的壓力損失，則假設(shè)兩點(diǎn)之間是等焓膨脹，必須根據(jù)下游溫度計(jì)算上游溫度。對(duì)于孔板計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算壓力損失Δω。

Δω=(1-β1.9)Δp

(11)

式中： Δω——一次裝置壓力損失，Pa。

然后，可以采用焦耳-湯姆遜系數(shù)μJT(Joule Thomson Coefficient)計(jì)算上游取壓口到下游測(cè)溫處的相應(yīng)溫差ΔT[6-7]：

ΔT=μJTΔω

(12)

在式(11)，(12)中，式(11)是經(jīng)常用的，使用并不難，而式(12)使用的并不多，原因是μJT求取有難度[5]。

2.2 μJT的求取

ISO 5167.1—2003的第3.3.4節(jié)定義，焦耳-湯姆遜系數(shù)又稱(chēng)等焓溫度—壓力系數(shù)，是等焓下相對(duì)于壓力的溫度變化速率[8]：

(13)

或

(14)

式中：T——絕對(duì)(熱力學(xué))溫度；p——流經(jīng)管道的流體靜壓；H——焓；RO——通用氣體常數(shù)；Cm， p——定壓摩爾比熱容；Z——壓縮系數(shù)。

3 渦輪流量計(jì)溫度壓力測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

渦輪流量計(jì)用來(lái)測(cè)量氣體流量時(shí)，也需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量。

該換算所依據(jù)的公式與式(2)相同，但是由于測(cè)量原理的不同，測(cè)壓點(diǎn)的位置有很大的差別。GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》給出了渦輪流量計(jì)在管道上典型的安裝圖[9]。同時(shí)在文字描述中規(guī)定，渦輪葉輪處的靜壓測(cè)壓口至少要有1個(gè)，孔徑范圍在3～12 mm。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，溫度傳感器應(yīng)安裝在葉輪的下游端，其離葉輪的距離應(yīng)小于5D，伸入管道公稱(chēng)通徑約33%處，但長(zhǎng)度不能超過(guò)150 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)用來(lái)測(cè)量氣體和蒸汽流量的流量計(jì)，除了個(gè)別的流量計(jì)之外，都需進(jìn)行流體溫度、壓力補(bǔ)償。由于流體種類(lèi)的不同，補(bǔ)償?shù)哪康囊膊槐M相同；由于溫度和壓力的變化，對(duì)不同原理流量計(jì)的影響不相同，因此測(cè)溫點(diǎn)和測(cè)壓點(diǎn)位置也有不同的要求，只有合理地確定這些位置，才有可能準(zhǔn)確地補(bǔ)償。

2)渦街流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓口，宜選在旋渦發(fā)生體下游的直管段上，應(yīng)盡可能靠近流量計(jì)，但應(yīng)便于施工和維修(不能選在旋渦體上游的直管段上)。測(cè)溫口應(yīng)選在測(cè)壓口下游150～200 mm處。

3)差壓流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓點(diǎn)，應(yīng)選在差壓正端取壓口處；測(cè)溫點(diǎn)一般選在差壓裝置下游5D～15D處，并假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。如果是非理想氣體，而又需要計(jì)量精準(zhǔn)，且上游取壓口和差壓裝置下游測(cè)溫處又存在較大的壓力損失，則可采用焦耳-湯姆遜系數(shù)計(jì)算上游取壓口到下游溫口處的相應(yīng)溫差ΔT。

4)基于絕熱膨脹等焓變化的原理，利用蒸汽性質(zhì)表，可方便地求取適用于蒸汽的焦耳-湯姆遜系數(shù)。

5)渦輪流量計(jì)用于溫度壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)壓點(diǎn)，宜設(shè)在渦輪葉輪前取壓口處；測(cè)溫口應(yīng)選在葉輪下游段，離葉輪的距離應(yīng)小于5D。