利用Excel实现标准节流装置的设计

286在石油、化工、冶金、电力等生产过程中，大量使用流量检测和物料计量的流量仪表，以保证产品质量和生产安全。

以节流装置为检测元件的差压式流量计是其中应用范围最广、用量最大的一类流量仪表，具有结构简单、安装使用维护方便、可靠性高、成本低廉等优点，是工程设计中优先考虑选用的流量计。

已开发的节流装置结构形式众多，但大部分未经充分试验，为适应广泛的使用需要，ISO5167标准对经过深入研究的标准节流装置（标准孔板、标准喷嘴和经典文丘里管）进行了统一规定，并给出流出系数和可膨胀系数的具体计算公式。

ISO5167标准给出的统一计算式为使用计算机设计计算标准节流装置提供了有利条件，利用Turbo C [1]、Visual Basic [2]、Matlab [3]、Delphi [4]等各种不同软件开发的标准节流装置计算程序纷纷涌现。

虽然这些程序避免了手动计算的繁琐，但往往存在软件开发环境、历史数据保存、计算结果打印等方面的限制。

针对这些问题，按照目前最新版标准节流装置计算标准GB/T 2624—2006/ISO5167：2003（下文简称GB/T 2624）的规定，根据文献[5]的要求，利用Excel 软件的计算功能实现标准节流装置的设计计算，功能齐全，简单方便，有效提高了标准节流装置的设计效率。

1 节流装置测量原理测量原理是以一次装置（如孔板、喷嘴、文丘里管）安装在充满流体的管线中为依据确立的。

装置上游侧与喉部或下游侧之间产生一个静压差。

根据该差压的实测值和流动流体的特性以及装置的使用环境，并假设该装置与经过校准的一个装置几何相似且使用条件相同就可以确定流量。

质量流量q m 与差压的关系符合GB/T 2624规定的不确定度限值，则： （1）体积流量 （2）其中，q m 是质量流量，kg/s；C 是流出系数，无量纲；β是一次装置节流孔（或喉部）的直径与上游测量管道的内径比，无量纲；ε是可膨胀系数，无量纲；d 是节流孔（或喉部）的直径，m；Δp 是上下游两侧差压，Pa；ρ是测定体积流量时的温度压力下的流体密度，kg/m 3。

2 标准节流装置的设计计算方法标准节流装置的设计计算就是已知q m 、C 、ε、Δp 和ρ求解直径比β的过程。

然而在求得β之前C和ε是未知的，因此标准GB/T 2624所给出的不同类型标准节流装置的参数计算公式是确定参数的依据。

2.1 适用范围标准GB/T 2624规定标准节流装置必须在表1所列条件下使用。

利用Excel实现标准节流装置的设计张惜岭中国石化工程建设公司 北京 100101摘要：通常的节流装置设计选型主要依靠制造厂计算，由于手动计算复杂繁琐，设计人员需要借助一些专业设计软件对其进行准确性判断，但受各种因素所限，实现并不方便。

为此，提出一种利用Excel软件“单变量求解”功能进行标准节流装置设计的方法，实例证明该方法计算准确，方便灵活，提高了设计效率。

关键词：标准节流装置 设计 单变量求解Design of standard throttle devices using ExcelZhang XilingSINOPEC Engineering Incorporation ，Beijing 100101Abstract：The design of throttle devices is usually depended on manufacturers. Designers have to use some professional design software to verify the accuracy of the results because manual calculation is very complex and time-consuming. However，the realization isn’t convenient due to the restriction of various factors. A method of standard throttle devices design using single variable solution in Excel is presented. The example has proved that this method is accurate and flexible，and furthermore，it can improve design efficiency.Keywords： standard throttle devices； design； single variable solution 节流装置名称取压方式/型式节流孔直径d 上游管道内径D 直径比β雷诺数R e D标准孔板角接取压d ≥12.5mm 50mm≤D ≤1000mm 0.1≤β≤0.750.1≤β≤0.56，R e D >5000；β>0.56，R e D >16000β2径距取压法兰取压R e D ≥5000且Re D ≥170βD2ISA1932喷嘴50mm≤D ≤500mm 0.3≤β≤0.80.30≤β≤0.44，7×104≤R e D ≤1070.44≤β≤0.80，2×104≤R e D ≤107长径喷嘴50mm≤D ≤630mm 0.2≤β≤0.8104≤R e D ≤107；R a/D≤3.2×10-4（在上游管道中）文丘里喷嘴d ≥50 mm65mm≤D ≤500mm 0.316≤β≤0.775 1.5×105≤R e D ≤2×106文丘里管“铸造”100mm≤D ≤800mm 0.3≤β≤0.752×105≤R e D ≤2×106机械加工50mm≤D ≤250mm 0.4≤β≤0.752×105≤R e D ≤1×106粗焊铁板200mm≤D ≤1200mm0.4≤β≤0.72×105≤R e D ≤2×106表1 标准节流装置适用范围287其中，Re D 是管道雷诺数，表示上游管道惯性力与粘性力之比的无量纲参数： （3） 其中，μ是流体的动力粘度，Pa·s。

另外，标准对管道内部的粗糙度也有规定，参见标准GB/T 2624的详细内容。

2.2 流出系数C 的确定流出系数C 用来表示通过装置的实际流量与理论流量之间的关系。

不同的装置结构、不同的取压方式具有不同的计算公式，例如：节流装置为标准孔板时（4）其中，β=d /D 是直径比，d 和D单位为m；其中，对于角接取压：L 1=L 2=0；对于径距取压：L 1= 1，L 2=0.47；对于法兰取压：。

其他类型标准节流装置流出系数的计算公式，标准GB/T 2624均已给出，不再赘述。

可以看到，流出系数C 可由参数β、R e D 、A 、L 1、M 、D 计算（经典文丘里管的C 为常数）。

当工艺数据D 、q m 、μ已知，则R e D 已知，于是C 成为只关于β的函数： = （5）2.3 可膨胀系数ε的确定可膨胀系数ε是考虑到流体的可压缩性所使用的系数。

当流体不可压缩（液体）时，ε=1；当流体可压缩（气体和蒸汽）时，ε<1，具体计算公式如下。

2.3.1 节流装置为标准孔板 （6）适用范围为p 2/p 1≥0.75，其中p 1、p 2分别为上、下游取压口绝对静压，Pa。

2.3.2 节流装置为标准喷嘴、文丘里喷嘴和经典文丘里管 （7）适用范围为压力比τ=p 2/p 1≥0.75，其中κ是等熵指数，表示在基本可逆绝热（等熵）转换条件下，压力的相对变化与密度的相对变化之比，κ可用理想气体的定压比热容与定容比热容之比代替。

可以看到，可压缩流体的可膨胀系数ε由参数β、τ、κ计算。

当工艺数据κ、p 1已知，若给定Δp 则τ已知，于是ε成为只关于β的函数：= （8）2.4 直径比β的计算将直径比β=d /D 代入节流装置的测量原理式（1），有 （9）令 （10）当工艺数据D 、q m 、μ、κ、p 1、ρ已知，Δp给定，则α是常数，流出系数C 和可膨胀系数ε均是只关于直径比β的函数或者常数，于是得到一个关于β的一元高次方程： （11）2.5 最大压力损失Δw max 的计算计算得到β、C 等参数的结果后，需要计算最大压力损失Δw max ，要求其不得超出工艺提出的允许值。

对于标准孔板和标准喷嘴，计算公式为： （12）对于文丘里喷嘴和经典文丘里管，压力损失一般较小，需要按照标准进行实际测量，并未给出具体计算公式，因此忽略这两类节流装置最大压力损失的计算。

2.6 标准节流装置设计计算程序框图经过前面的计算与分析，绘制出标准节流装置设计的计算程序框图如图1所示。

E ੠পय़ᮍᓣˈ䅵ㅫ䗝ᢽҟ䋼⢊ᗕǃݙᕘ㣗图1 标准节流装置设计计算程序框图3 Excel计算功能的应用Excel是目前应用最广泛的功能强大的电子表格处理软件。

设计人员通常只是利用其表格功能进行数据统计、排序和筛选、简单的公式函数以及四则运算等，却很少进行数据分析、复杂计算甚至功能开发。

实际上Excel为用户提供了许多数据库函数，可实现单变量求解、线性规划、回归分析等数学问题的求解，避免了繁琐的手工计算和复杂的专业软件编程，操作方便。

仪表自控工程设计中常见的数学计算是标准节流装置和调节阀的计算。

标准节流装置的计算公式涉及多项高次和非整数次方程，标准GB/T 2624给出了传统的迭代法，采用人工手算准确度低，计算机编程虽然计算快捷但开发有一定难度，大部分普通工程设计人员不会编写、修改和维护这些专业软件，普及程度有限。

而Excel是通用的计算机软288件，利用其“单变量求解”功能，无需编程即可简捷地求解高次方程[6]，再结合设计人员的经验和判断，可以快速、准确地获得设计结果，大大提高设计效率。

利用Excel进行标准节流装置计算的操作界面如图2所示，主要功能为：（1）节流装置计算。

选取对应节流装置类型的工作表，输入工艺条件数据，根据介质状态、管线尺寸及取压方式等进行选择计算，获得β、d 、C 、ε、R e D 、Δw max等参数的结果。

（2）计算结果直观。

获得计算结果后，设计人员可根据设计准则和工艺要求，结合设计经验对各参数有效性进行分析判断，如果结果不合适，重新设置参数再次计算。

（3）操作方便灵活。

由于在工作表中操作，设计人员可以任意修改输入数据，随时保存和打印计算输出数据，同时允许在工作表中任意添加位号、介质名称、备注等扩展信息。

,,,,,1p D q m 䕧ܹp'䗝ᢽ12/,e pp R D䅵ㅫmax,,w d 'E ੠পय़ᮍᓣˈ䅵ㅫೈ䗝ᢽҟ䋼⢊ᗕǃݙᕘ㣗ᰃ৺⒵䎇㽕∖˛߸ᮁ12/,e pp R Dᰃ৺⒵䎇㽕∖˛߸ᮁmax,,w d 'ㄝ݊Ҫখ᭄䅵ㅫH ,C 图2 标准节流装置计算界面4 应用实例以某石化公司乙二醇项目标准孔板的设计为例，验证利用Excel“单变量求解”功能进行设计计算的正确性和实用性。