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      上游阻流件對孔板流量計測量精度的影響進行實流實驗研究

      作者: 來源: 發布時間:2018-06-07 13:57:37

          摘要: 利用常壓氣體作為流動介質,以流出系數平均相對誤差、線性度和不確定度為評價指標,通過實流實驗,研究上游組合管件對孔板流量計測量性能的影響。根據不同的上游阻流件對孔板流量計測量精度的影響進行了實流實驗研究。根據實驗結果,為保證相對誤差在可接受范圍,給出對于不同形式的上游組合管件孔板流量計對前直管段長度的建議。

          根據海洋平臺上特有的工藝處理模式和安裝習慣,本文分別對中海油2006 年以后投產的9 個新建海洋平臺JZ25-1 CEP、JZ25-1SCEP、JZ25-1S WHPB、BZ26-3WHPA、BZ26-3 WHPB、SZ36-1 CEPK、JX1-1 CEPA、BZ19-4 WHPB、LD32-2 PSP 的三維模型進行了流量計安裝上游的管件形式的整理,發現在上述平臺上孔板流量計用于對天然氣的計量占76%,少數是用于對消防水和回注水的計量。總結出4 種常見的組合阻流件形式,開展上游組合管件對孔板流量計性能影響的研究,主要包括球閥+90°彎頭、球閥+ 90°彎頭+ 漸縮管+ 90°彎頭、球閥+90°彎頭+ 漸縮管、球閥+ 漸縮管。

      1 實驗平臺的設計研究
          如圖1 所示為本文實驗所采用的實驗裝置,此實驗裝置為天津大學過程檢測和控制實驗室的高精度常壓氣體流量實驗裝置。圖中的風機通過外部的變頻器裝置不斷地調節風機的風速,從管道入口抽取空氣,為實驗提供穩定的空氣流體,通過穩壓罐來達到穩壓的目的。圖中的渦輪流量計為標準表,空氣流體通過渦輪流量計時,可以測得空氣流體的標準流量。當空氣流體通過孔板流量計時,在流量計的上游和下游會產生壓差,這種壓差可以經過高精度的差壓變送器檢測并轉化成4 ~20 mA 信號,然后通過16 位的A/D 轉換芯片,將模擬信號轉化成數字信號送到計算機進行處理,穩壓罐上的溫度傳感器將電壓信號轉換成對應的溫度信號,送到16 位的模擬量信號采集卡A/D 芯片進行處理; 同時模擬量信號采集卡A/D 芯片還對標準表的頻率進行采集。在計算機中安裝實驗標定系統軟件,該軟件是用VB 進行編寫的,支持多線程實時通信,通過這種軟件,可以在計算機中實現不同的數據的顯示與分析。
          下面對實驗裝置中用到的儀器設備的性能參數進行說明:
          標準表采用天津的華水渦輪流量計,測量范圍在25 ~1 400 m3 /h之間,精度為0. 5%,重復性為0. 06%;溫度傳感器采用的是昆侖海岸溫度傳感器,精度為0.1%; 壓力傳感器為ROSEMOUNT 3051 型號,精度為0.075%; 差壓變送器為日本橫河的EJA110A,可測量的差壓范圍為0 ~ 10 kPa,精度為0. 075%; 模擬量信號采集卡采用的是研華PCI-1716,精度為16 位。本次實驗對象選擇了DN100 孔板流量計。

      本文實驗所采用的實驗裝置


      2 阻流件對孔板流量計測量精度影響的實驗研究
          2. 1 孔板流量計的基準實驗用于孔板流量計的基準實驗的前直管段長50D,后直管段長10D,管道內流體流動為充分發展的湍流狀態[1][2][3][4]。前期大量文獻表明,前直管段長度達到50D 時,可以認為流場已經充分發展; 同時,后直管段達到10D,不會影響孔板流量計流出系數。阻流件實驗均按照前直管段50D,后直管段10D 的直管段為基準進行比較,從而得到流出系數和流出系數相對誤差的變化情況。
          2. 2 上游阻流件對孔板流量計測量精度影響的實驗研究
          2. 2. 1 上游阻流件類型—DN100 球閥+ DN100 單彎頭的實驗研究
          上游阻流件類型為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的雷諾數-流出系數曲線圖如圖2 所示,從圖中可以看出,前直管段長度為50D、30D 的流出系數與基準實驗極為接近,從10D 開始,隨著前直管段長度的縮短,流出系數呈遞減趨勢。

        圖2 上游阻流件為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的雷諾數- 流出系數曲線

          圖2 上游阻流件為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的雷諾數- 流出系數曲線


          從表1 可以看出,相對于基準實驗,前直管段長度為50D 和30D 時平均相對誤差為正值,其他工況下為負值; 比較而言,50D 較30D 的平均相對誤差略大,但量值僅差0. 06%; 從30D 開始,隨著直管段長度的縮短,流出系數的相對誤差呈遞增趨勢,此變化趨勢也可見圖3 所示。


          表1 阻流件為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的流出系數相對誤差和不確定度

      表1 阻流件為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的流出系數相對誤差和不確定度
       
          圖3 阻流件為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的流出系數相對誤差曲線

         圖3 阻流件為DN100 球閥+ DN100 單彎頭的流出系數相對誤差曲線

          2. 2. 2 上游阻流件類型—DN150 球閥+ DN150 變DN100 漸縮管的實驗研究
          阻流件類型為DN150 球閥+ DN150 變DN100 漸縮管的雷諾數-流出系數曲線圖如圖4 所示,從圖中可以看出,隨著前直管段長度的縮短,流出系數呈遞減趨勢。

          圖4 阻流件為DN150 球閥+ DN150 變DN100漸縮管的雷諾數-流出系數曲線

          圖4 阻流件為DN150 球閥+ DN150 變DN100漸縮管的雷諾數-流出系數曲線


          從表2 可以看出,相對于基準實驗,前直管段長度為30D、10D 的平均相對誤差為正值,前直管段長度為4D 的平均相對誤差為負值; 從絕對值上看,前直管段長度為4D 時相對誤差最大,此變化趨勢也可見圖5所示。

          表2 阻流件為DN150 球閥+ DN150 變DN100漸縮管的流出系數相對誤差和不確定度

          表2 阻流件為DN150 球閥+ DN150 變DN100漸縮管的流出系數相對誤差和不確定度

      圖5 阻流件為DN150 球閥+DN150 變DN100漸縮管的流出系數相對誤差曲線

      圖5 阻流件為DN150 球閥+DN150 變DN100漸縮管的流出系數相對誤差曲線


          2. 2. 3 上游阻流件類型—DN150 球閥+ 90° 單彎頭+ DN150變D100 漸縮管的實驗研究
          阻流件類型為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150變DN100 漸縮管的雷諾數-流出系數曲線圖如圖6 所示,從圖中可以看出,隨著前直管段長度的縮短,流出系數呈遞減趨勢。

      圖6 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150變D100 漸縮管的雷諾數-流出系數曲線

      圖6 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150變D100 漸縮管的雷諾數-流出系數曲線


          從表3 可以看出,相對于基準實驗,前直管段長度為50D 和30D 時平均相對誤差為正值,其他工況下為負值; 前50D 與前30D的平均相對誤差較為接近,從前30D 開始,縮短前直管段,平均相對誤差呈增大趨勢,此趨勢也可見圖7 所示。

      表3 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管的流出系數相對誤差

      表3 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管的流出系數相對誤差

       

      圖7 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管的流出系數相對誤差曲線

       

          2.2.4 阻流件類型—DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150變DN100 漸縮管+90°單彎頭的實驗研究


          阻流件類型為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150變DN100 漸縮管+ 90°單彎頭的雷諾數-流出系數曲線圖如圖8 所示,從圖中可以看出,隨著前直管段長度的縮短,流出系數呈遞減趨勢。

      圖8 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管+90°單彎頭的雷諾數-流出系數曲線

      圖8 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管+90°單彎頭的雷諾數-流出系數曲線


          從表4 可以看出,相對于基準實驗,前直管段長度為50D 和30D 時平均相對誤差為正值,其他工況下為負值; 前直管段長度為50D 與30D 的平均相對誤差較為接近,從前30D 開始,縮短前直管段,平均相對誤差整體呈增大趨勢,此趨勢也可見圖9 所示。

      3 結論
          安裝條件的不同對孔板流量計有著很大的影響,根據不同的安裝條件,對孔板流量計的測量精度的影響進行了實驗研究。研究發現:

      表4 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管+ 90°單彎頭流出系數誤差
      表4 阻流件為DN150 球閥+ 90°單彎頭+ DN150 變DN100 漸縮管+ 90°單彎頭流出系數誤差

      圖9 阻流件為DN150 球閥+90°單彎頭+DN150 變DN100漸縮管+ 90°單彎的流出系數相對誤差曲線

      圖9 阻流件為DN150 球閥+90°單彎頭+DN150 變DN100漸縮管+ 90°單彎的流出系數相對誤差曲線


          1) 當孔板流量計上游存在阻流件時,對于不同形式的阻流件,當后直管段長度不變時,隨著前直管段長度變短,流出系數相對誤差隨之變大。
          2) 從實驗結果分析,討論的4 種組合式阻流件情況所需的前直管段長度均比ISO5167 中規定的前直管段長度短。說明標準中規定的比實際應用時更嚴格苛刻,而有了本文的研究數據作支撐,以后在實際設計應用時可以適當減小前直管段長度,既保證了精度也節省了空間。

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