节流式流量测量原理及系统设计

摘要
在热力发电厂中，流体（水、蒸汽、油等）的流量直接反映设备的负荷高低，工作状况和效率等运动情况。

因此连续监视流体的流量对热力设备的安全、经济运行及能源管理有着重要意义。

通过对流体流量知识的学习，我们具备了灵活运用知识的能力，提高了解决工
程实际问题的能力。

在工业生产中，不论是生产过程控制还是成本核算，通常需要准
确地知道流体的质量流量，因此需要有能直接测定流体质量流量的质量流量计。

质量
流量计的输出信号不受流体压力、温度等参数改变引起的流体密度变化的影响，因此
测量准确度有很大提高。

关键词：流体流量，节流装置，温度、压力补偿，质量流量计
目 录
第一章 节流式流量测量原理及系统设计
1.1 节流式流量测量原理
在管道内装入节流件，流体流过节流件时流束收缩，于是在节流件前后产生差压，对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管道情况，一定参数的流体，和其他条件下，节流件前后产生的差压值随流量而变，并且两者之间有确定的关系。

因此可通过测量差压来测量流量。

在工业生产中，不论是生产过程控制还是成本核算，通常需要准确地知道流体的质量流量，因此需要有能直接测定流体质量流量的质量流量计。

目前，质量流量计可分三大类：直接式，推导式，温度、压力补偿式三种。

本次题目要求用温度、压力补偿式质量流量计，其工作原理为：测量流体的体积流量、温度和压力值，根据已知的被测流体密度与温度、压力之间的关系，通过运算，把测得的体积流量数值自动换算到标准状态下的体积流量数值。

对于测量v
q 2ρ的差压式流量计，可按下式进行温度、压力补偿：
T
p
p C T p pT p K p K p
K
q q v m ∇=∇=∇=∇==2000
ρρρ
ρρ
式中 2C —常数，0
2p T C ρ=。

从上式可知，只要测得差压式流量计的差压值和温度、压力值就能求得质量流
量值。

又因被测介质为空气，其质量流量测量的温度、压力补偿系统原理图如附件1所示。

1.2 系统总体设计
节流式流量计主要由节流件，差压计组成，通过节流件产生差压，再由差压计测得流量，系统的总体设计如图1—2
图1—2 系统的总体设计图
第二章标准节流件及取压装置
2.1 标准节流件
节流件的形式很多：有孔板、喷嘴、文丘利管、1/4圆喷嘴等。

用得最广泛的节流件是孔板和喷嘴，这两种形式的节流件的外形、尺寸已标准化，并同时规定了它们的取压方式和前后直管段要求，总称为“标准节流装置”，通过大量试验求得了这类标准节流装置的流量与差压的关系，以“流量测量节流装置国家标准”的形式公布。

标准节流装置只适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体的流量，并要求流体充满管道；在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质；流速小于音速，流动属于非脉动流；流体在流过节流件前，流束与管道轴线平行，不得有旋转流。

如图2—1所示，标准节流装置包括：节流件、取压装置、节流件上游侧第一个阻力件、第二个阻力件，下游侧第一个阻力件以及在它们之间的直管段：
图2—1 整套节流装置示意图
1—上游侧第二个局部阻力件；2—上游侧第一个局部阻力件；
3—节流件； 4—下游侧第一个局部阻力件
关于标准节流件的形式，目前国标规定如下：标准孔板和标准喷嘴。

国际上还有一些其他的已标准化了的节流件，如径距取压（即D和0.5D取压，D为管道内径）标准孔板，径距取压长径喷嘴（亦称ASME喷嘴），古典文丘利管和文丘利喷嘴等。

本次课设要求用标准孔板，其结构如图2—2所示。

图2—2 标准孔板
标准孔板制造安装的要求如下：
（1）标准孔板的开孔直径d是一个重要的尺寸，应实际测量。

测量在上游段进行，最好是在四个大致相等的角度上测量直径，求其平均值。

要求各个单测值与平均值之差在0.05%范围内；
（2）标准孔板的全称是“同心薄壁锐缘孔板”，因此孔板进口圆筒形部分应与管道同心安装；
（3）孔板进口边缘应是严格直角，不能有毛刺和可见的反光，即进口边缘应很
尖锐，边缘半径不大于0.0004d。

所谓薄壁是指孔板厚度E和圆筒形厚度e不能过大。

标准孔板制造安装的其他要求是：
1)在各处测得的E值之间的最大差值和各处测得的e值之间的最大差值均不得超过0.001D；
2)孔板必须与管道轴线垂直安装，其偏差不超过±1度；
45 度的圆锥形出口，这样的孔板适用于测量双
3)若E≤0.02D，则可以不做成15
向流动的流体，但这时要求下游端面的标粗糙度和边缘尖锐度必须与上游端面的相同；
4)孔板加工过程中，不得使用刮刀和砂布进行修刮和打磨。

标准孔板的适用范围如表2—1所示：
表2—1 标准孔板适用范围Array
2.2 取压装置
标准节流件的形式和取压方式，目前国际规定如下：
标准孔板：角接取压、法兰取压；标准喷嘴（亦称ISA1932喷嘴）：角接取压取压装置的类型有角接取压和法兰取压，本次试验所用的是角接取压。

角接取压装置有环室取压和单独孔取压两种。

环室取压的前、后环室装在节流件两边，环室夹在法兰之间，法兰和环室、环室和节流件之间放有垫片并加紧。

节流件前后的压力是从前、后环室和节流件前、后端面之间所形成的连续环隙上取得的，为整个圆周上的平均值。

单独钻孔取压可以钻在法兰上，也可以钻在法兰之间的夹紧环上。

取压孔在夹紧
环内壁的出口边缘必须与夹紧环内壁平齐，并有不大于取压孔直径1/10的倒角，无可
见的毛刺和突出部分。

取压孔应为圆筒形，其轴线应尽可能与管道轴线垂直。

第三章关键参数计算及检验计算
3.1已知条件
1．被测介质：可压缩流体空气；
2．流量测量范围（体积流量）：q
mmax =25003
m/h、q ch=20003
m/h、q min=10003
m/h；
3．介质参数：p=300KPa(相对)，t=60℃，759mmHg=101.19KPa；
4．允许压损：δp≤10kPa；
5．管道内径：D
20
=200mm；
6．管道材料：普通钢管（A3）；
7．节流件型式：角接取压标准孔板；节流件材料：1Cr18Ni9Ti不锈钢；
8．管道情况：如图3.1所示
图3—1 管道情况图
3.2准备计算
3.2.1 工作状态下流量测量范围上限值q mmax
q mmax=4.2×25003
m/h =10.5t/h （3—1）3.2.2 求介质密度ρ1、介质动力粘度η及管道材料膨胀系数λD
由介质工作状态的压力p=0.40119Mpa、温度t=60℃和管道材料A3钢，从参考文献
[1]附录表Ⅱ-3中分别得到介质密度ρ
1
、介质动力粘度η、空气的κ及管道材料膨胀
系数λ
D
ρ1=4.2kg/m3η=2.2×10-3Pa·s
κ=1.4 λD =11.75×10-6 1/℃
3.2.3 工作状态下管道内径
D t =D 20[1+λD (t-20)]
=200×[1+11.75×10-6×(60-20)]=200.094(mm) （3—2）
3.2.4 计算Re Dch
Re Dch =
ηπt mch D q 4=3600
102.210094.2002000
2.443
3-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯π =6.8×105 （3—3）
3.2.5 确定差压上限值Δpmax
取Δp max =2.5δp =2.5×10×103=25×103（Pa ），参考文献[1]附录表II-13，可选用1151DP 电容式差压变送器，其量程范围为（635～3810）×9.81Pa ，耐静压为14Ma 。

验算Δp max /p=25×103/401.19×106=0.0623﹤0.25,符合规定。

3.2.6 计算常用流量下的差压值Δp ch
本设计最大流量为10.5 t/h ，所以流量计刻度上限q mmax 定为12.5 t/h
Δp ch =Δp max （q mch / q mmax ）2=25×103(
5
.122.422.4⨯⨯)2
=11.2896×103 Pa （3—4）
3.3 各项参数计算
3.3.1 计算A 值 A=
p
D q t
mch
∆12
24
ρπ
=
()3600
1011.28964.2210
094.2002000
2.443
3
-2
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯π
=0.241079 （3—4）
3.3.2 计算β1、C 1、ε1
由Stolz 方程给出的标准孔板的流出系数是：
C=0312.05959.0+1.2β-0.1840β
8
+0.00295.2β×75
.06
)Re 10(
Dch
（3—5）
()990764.035.041.011
4
=∇+-=kp p
βε （3—6）
设初始假定值C 0=0.60；ε0=0.99
则 X 1=
00εC A =0.40585899
.060.00.241079
=⨯ β1=(1+
21
1X )-0.25=[1+
20.405858
1]
-0.25
=0.613241 C 1=0312.05959.0+1.21β-0.18401β8+0.002921
β
5.2×75
.06
)Re 10(Dch
001140
.0003680.00111733.05959.0+-+=
604534.0=
(
)990764.035.041.011
4
11=∇+-=kp p
βε
3.3.3 计算β2、C 2、ε2及β、C 、ε
X 2=
11εC A =402502.0990764
.00.6045340.241079
=⨯ 同理迭代计算得：
β2=0.611057 C 2=0.604562 ε2=0.990778
精密度检查： │
2
22A
C X A ε-│=5.955510⨯>5-105⨯继续迭代；
X 3=
=2
2εC A 402478.00.990764
0.6045620.241097
=⨯
β3=0.611041 C 3=0.604543 ε3=0.990778 精密度检查：
│
3
33A
C X A ε-│=3.1507510⨯<5-105⨯,迭代停止。

所以： β=0.611041
C=0.604543 ε=0.990778
3.3.4 验算压力损失
ch w ∇ ()P ∇-=9.11β=6.8616⨯103<δp （3—7）
压力损失验算合格。

3.3.5 确定d 20
选用1Cr18Ni9Ti 不锈钢为孔板材料，从参考文献[1]附录表II -3中查得:
λd =16.6×10-6 1/℃ d 20=
)
2060(106.161094
.200611041.0)20(1)20(16
-⨯⨯+⨯=-+=-+-t D t d d t d t λβλ =122.265638 (mm) （3—8）
3.3.6 确定直管段长度和对管道粗糙度的要求
按β=0.60，上游侧第一阻力件为两个90°弯头，上游侧第二阻力件为全开闸阀，下游侧阻力件为两个90°弯头，从表3-1中查得：
L 1=26D=18×O.2200094≈5.2 m ;
L 2=7D=7×O.2200094≈1.4 m ;L 1+L 2 =7.2m <11m
L 0=D D 10202
1
=⨯=10×0.200094≈2 m<4m 各项数据均满足要求 。

表3-1 节流件上下游测的最小值管段长度
孔板对管道相对粗糙度限值可从表10-3中查得，对于β=0.60，管道相对粗糙度限值为4.2×10-4，所以要求节流件10D以内管道的绝对粗糙度K
为
s
K
<200.094×4.2×10-4=0.084 （mm）
s
=0.05～1mm，选择内壁光滑的无缝钢管即能符合粗糙度普通钢管的绝对粗糙度K
s
要求。

第四章系统安装和使用说明
4.1流量装置和差压计的安装连接系统图
流量装置和差压计的安装连接系统图附件3。

1151DP
图4.1流量装置和差压计安装连接系统图
4.2 系统使用说明
系统安装及使用说明：
1 节流装置只许安装在直管段内，且节流件前后要有足够长的直管段，其要求视节流件上游侧局部阻力件的形式和直径比值而定。

2 在管道中安装节流件时其上游端面与管道轴线垂直，不垂直度不得超过±1°。

3 节流件环节孔应与管道同心，其不同心度不得超过0.015S(1/Β-1)。

4 夹紧节流件的法兰，其与管道的连接面应平齐。

5 节流件使用的密封垫片，在夹紧后不得突入管道内壁。

6 对新装管路系统，应在管道冲洗和吹净后再进行安装节流件。

7 节流装置的各管段和管件的连接处不得有任何管径突变。

参考文献
[1] 吴永生.热工测量及仪表.北京：中国电力出版社.1995：P213—P240
[2] 刘欣荣.流量计.北京：水利电力出版社.1984：P85—114
[3]苏彦勋.流量计量与测试.北京：中国计量出版社.1992 ：P80—109
[4]吴勤勤.控制仪表及装置.北京：化学工业出版社.2007：P76—P87
[5] 孙淮清.流量测量节流装置设计手册.北京：化学工业出版社.2005：
P108—P140
附件1
附件2
附件3。