标准节流装置的设计与计算

课程设计报告
( 2013—2014年度第一学期）
课程：过程参数检测及仪表
题目：标准节流装置的设计与计算院系: 自动化系
班级：
学号:
学生姓名：Acceler
指导教师：田沛
设计周数: 一周
成绩：
日期：2014 年1 月15 日
一、课程设计目的与要求
本课程设计为检测技术与仪器、自动化专业《过程参数检测及仪表》专业课的综合实践环节。

通过本课程设计，使学生加深过程参数检测基本概念的理解，掌握仪表的基本设计方法和设计步骤。

二、设计正文 第一类命题:
已知条件:流体为水,工作压力MPa p 7.14=,工作温度215=t ℃；管道mm D 23320=，材料为20号钢新无缝钢管；节流件为法兰取压标准孔板,材料为1Cr18Ni9Ti;mm d 34.11720=;差压kPa p 91.156=∆，求（1）给定差压值p ∆下的水流量m q ；（2)计算测量时的压力损失。

解：
（1）辅助计算：
查表得到水和水蒸气密度1ρ=856.85kg/3
m ，动力粘度η=127。

36
10-⨯Pa ·s ，管道线膨胀系数D λ=12.786
10-⨯/℃，节流件线膨胀系数d λ=17.26
10-⨯/℃，可膨胀性系数ε=1。

mm t D D D t 58.233)]20(1[20=-+=λ
mm t d dt d 73.117)]20(1[20=-+=λ
(2）查表可知，新无缝钢管的绝对粗糙度K=0。

05~0。

1mm ，(4
10K/D)max =4。

29<4。

9,所以直管段粗糙度符合要求。

（3）迭代计算水流量m q ： 由Stolz 方程，得:
令式中0Re D = ∞,此时流出系数初始值为0C =0.60274。

取精密度判据6
10
1-⨯=z ,利用
Matlab 进行迭代计算，程序代码如下：
A=7912885.84;yita=127。

3e-6; b=0。

504；Dt=233。

58;
c0=0.5959+0。

0312*b^2。

1—0。

184*b^8+2。

286＊b^4/Dt/(1-b^4）-0。

856*b^3/Dt; c=c0；z=1; % 初值预设
5040.0==
t
t D d β84.79128851004
.0354.04
12=-∆⨯=βηρεt t D p
d A )
62.58,:(856.0)
1(286.2)Re 10(0029.0184.00312.05959.02034475.065
.28
1
.2mm D mm D D D C D ≥--++-+=ββββ
β
β
while z 〉1e —6 ％ 迭代计算 c1=c; Re=A ＊c ；
c=c0+0。

0029＊b^2。

5*（1e6/Re)^0。

75； z=abs((c-c1)/c ）; end c
qm=A*Dt ＊yita ＊c/0.354
迭代2次后，8
104.5-⨯=z ，精密度符合要求。

此时C=0。

602902，m q =400721。

5kg/h. 对于标准孔板，其压力损失的计算式为p p ∆-
=)1(9.1βδ，将β与p ∆值代入,得
p δ=114.23kPa 。

答：给定差压值p ∆下的水流量m q 约为400721.5kg/h ；测量时的压力损失约为114。

23kPa 。

第二类命题：
已知条件：流体为锅炉给水，最大流量h kg q m /102303max ⨯=，常用流量
h kg q m ch /101903⨯=,最小流量h kg q m /101003min ⨯=；工作压力MPa p 15=,工作温度
215=t ℃；管道mm D 19920=，材料为20号钢新无缝钢管,节流件为角接取压标准孔板，
材料为1Cr18Ni9Ti ；允许压力损失kPa y 40≤∆ω，上游第一阻力件为全孔球阀,上游第二阻力件为同一平面上两个90°弯头。

（1)选定差压计；（2)计算20d C 、、、εβ；（3）确定最小直管段长度210l l l 、、；（4）计算压力损失并进行核算；(5）计算基本误差。

本题设计任务书如下：
1、准备计算
根据锅炉给水工作状态下的压力1p =15MPa 和温度t=215°C,查表得流体密度ρ1=857。

17kg/m 3，动力粘度η=127。

4⨯10
6
-Pa ·s ，管道线膨胀系数D λ=12。

786
10
-⨯/℃，节流
件线膨胀系数d λ=17。

26
10-⨯/℃。

可膨胀系数ε=1。

计算D t :
mm t D D D t 496.199)]20(1[20=-+=λ
计算正常流量和最小流量下雷诺数：
Re Dch =
ηπt D 4mch q =3600
104.12710199.496π19000046
3-⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=2。

644×106
Re min D =
ηπt min D 4m q =3600
104.12710496.991π10000046
3-⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=1。

392⨯106
2、选定差压计
由于采用角接取压标准孔板,最大差压的计算为：ΔP max ≤(2～2.5）y p δ
ΔP max =2y p δ=2×40=80 kPa
Δp ch =Δp max (q mch / q mmax )2
=80×103
×(3
310
23010190⨯⨯）2
=54。

594kPa 流量指示仪表的流量刻度上限是有规定的,即为1,1.2，1。

6，2,2。

5，3，4，5，6，8×10n
其中n 为任意整数。

题中最大流量为230t/h ，流量计流量刻度上限为mmax q =250t/h 。

故选用1151HP 型差压变送器，其量程范围为0～186。

8kPa ，耐静压为31.5MPa,仪表基本误差为±0.25％.变送器差压量程调整在0～80kPa 。

3.计算β，C,ε,20d 流量公式：q mch =
4
1β
-C ε
4
πβ2
D t 2
ch p ∆12ρ，其中q mch 、4
π
、D t
2
ch p ∆12ρ已知,
所以不变量A=
ch
t
ch
p D q ∆12
m 24
ρπ
得迭代方程为:A=
4
21βεβ-C ,令X=
4
2
1ββ-=
ε
C A 。

精密度判据为：n E =
A
XC A ε-〈1⨯106
-。

β=25
.0211-⎪
⎭⎫ ⎝
⎛
+X ，d t =βD t = D t 25
.02
2
1⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛+X X
q mch =190×103
kg ／h ；D t =199。

496mm;ρ=857.17kg/m 3
；Δp ch =54.594kPa 计算A 值：
A =
ch
t
ch
p D q ∆ρπ
24
2
m =
3
2310594.5417.8572)10496.199(4
3600
/190000⨯⨯⨯⨯⨯-π
=0.1745
经以上初步计算后，用Matlab 进行迭代计算，程序代码如下：
A=0.1745；yita=127。

3e-6;Re=2.644e6；i=2;Dt=199。

496; xn(1:30)=0;b(1:30)=0;c(1：30）=0；dta(1：30)=0；en(1：30）=1; c(1)=0。

5959; ％ 初值预设 while (abs （en(i-1）)>1e —6）&&(i<4） ％ 开始迭代计算 xn （i)=A/c （i-1）；
b （i ）=（xn （i)*xn(i)/(1+xn(i)＊xn(i)））^0。

25;
c(i ）=0。

5959+0。

0312＊b （i ）^2.1—0。

184＊b(i)^8+0。

0029＊b(i)^2。

5*(1e6/Re ）^0。

75;
dta(i)=A —xn(i ）＊c(i ）； en （i ）=dta(i ）/A ； i=i+1； end
while abs （en （i —1)）〉1e —6 % 快速弦截法
xn （i)=xn(i-1)—dta(i-1)*(xn （i —1）-xn(i —2））/(dta(i-1)-dta （i-2）); b （i)=(xn(i)＊xn(i ）/(1+xn(i ）＊xn(i)))^0。

25;
c （i ）=0。

5959+0.0312＊b （i ）^2。

1—0.184*b （i)^8+0.0029*b(i)^2.5＊(1e6/Re)^0。

75;
dta(i)=A-xn （i ）*c(i ）; en(i ）=dta(i ）/A ； i=i+1； end
dt=b （i-1)＊Dt ；
得:β=0。

5271；C=0。

6032；t d =105.1605mm 。

又由)]20(1[20-+=
t d dt d λ得,20d =104.809mm 。

综上，β=0.5271；C=0。

6032;ε=1；20d =104。

809mm 。

4。

确定最小直管段长度和对管道粗糙度的要求
管道布置如下图所示:
上游第一阻力件为全孔球阀，上游第二阻力件为同一平面上两个90°弯头。

最小直管段L 由三段长度（L1，L2,L0）组成，L1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度，由第一阻流件形式和β值决定.L0是上游第一阻流件与第二阻流件之间的直管段，由第二阻流件和β=0。

7决定，按表中给出值的一半计算.L2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度，与下游节流件的形式无关,只与β值有关。

根据β约等于0。

55,查表并计算可得210、、l l l ：
0l =1/2⨯36⨯20D =3582mm 1l =14⨯20D =2786mm
2l =6⨯20D =1194mm
标准孔板对管道相对粗糙度的限值可查表得到，管道相对粗糙度上限值为4。

9×104
-，
所以要求节流件上游侧10D 以内管道的绝对粗糙度K s 为 K s <199。

496×4.9×10
4
-=0。

0978mm
新无缝钢管的绝对粗糙度K s =0。

05～0.1mm,符合粗糙度要求。

5. 计算压力损失并进行核算
ch p δ=(1-9.1β)Δp ch =（1—0。

52719.1)×54。

594=38。

42kPa ＜40kPa
即ch p δ＜y p δ，压力损失验算合格。

6.计算基本误差及测量结果的不确定度
求取流量值相对不确定度的计算公式为：
21
21
2
224
224422])(41)(41)()12()()12()()[(1
ρδδδβδββεδδδρε+∆+-+-++±=∆P d D C q P d D c m qm
因为β=0.5271,所以有
C
c δ =±0.6%；锅炉给水为不可压缩流体，则ε=1，0=εδε；D D
δ与
d
d
δ是与量具的误差,λD 、λd 值误差和工作温度t 值有关。

在节流件工作在设计工作温度时，主要取决于量具的误差。

按置信概率95％估算,d d δ=±0。

07％，D D
δ=±0。

4%;1
1ρδρ=
±0。

06%;由于的选择差压变送器为0。

25级，选择显示仪表为1级,则
p p ∆∆δ=594
.54125.080322
2+⨯⨯%=1.01%，综上: %643.0]%06.04
1
01.14107.0)5271.012(4.0)5271.015271.02(06.0[22
224
22442±=⨯+
⨯+⨯-+⨯-⨯++±=m qm q δ
7。

结论
（1）差压计选用1151HP 电容式差压变送器； （2）β=0。

5271，C=0.6032,ε=1,20d =104.809mm ； （3）最小直管段l 0=3582mm ，l 1=2786mm ，l 2=1194mm; （4)压力损失ch p δ=38。

42kPa ＜40kPa,压力损失验算合格； （5）不确定度
m
q qm
δ=±0.643%.
三、课程设计总结
通过此次课程设计，我得以加深对过程参数检测基本概念的理解，掌握了仪表的基本设计方法和设计步骤，学会了第一类命题的解决方法和第二类命题的设计方法，知道了如何选择节流件形式和差压计以及确定量程,理解了迭代方法的原理和计算方法。

本次课程设计也使我分析问题和解决问题的能力得到了提高。

四、参考文献
［1] 苏杰，常太华。

过程参数检测及仪表. 中国电力出版社，2009。

6
[2］ 周建兴,岂兴明,矫津毅，张延伟。

MATLAB 从入门到精通. 人民邮电出版社,2012.6。