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过程参数检测及仪表课程设计 差压式流量装置设计与计算 设计学时 一周考核方式 设计报告 答辩适用专业 测控 自动化专业本科生指导教师 测控教研室 过程检测 教学团队 1 背景及意义理论依据GB T2624 3 2006一次装置的形式及取压装置设计命题设计与计算方法设计要求注意事项 2 1 背景及意义 热力发电厂涉及的流量测量 如给水 过热蒸汽 再热水蒸气属于高温高压流体 这一类流体流量测量唯一可行的解决方案是采用差压式流量测量装置 事实上 目前热 火 力发电厂80 以上的流量测量选择该装置 其原因在于 1 一次装置可将流体流量转化为差压 而实现对流体差压的测量 已有非常成熟的技术 2 差压式流量测量装置无任何机械可动部件 其有效性 可靠性和长期稳定性高 3 通过长期的实验 积累了大量的实验数据 自1980年代以来 计算机技术与工程数学的有机结合 使信息处理技术取得了质的飞跃 通过处理保留的实验历史数据 进行曲线拟合 得出了非常简单但十分准确的经验公式 使得差压式流量装置具有高准确性 3 4 差压式流量测量装置流量与差压之间的关系以 流量测量节流装置国家标准 的形式公布 流量与差压之间一一对应关系以及流量测量的不确定度可按 标准 计算确定 无需标定 实用性强 5 差压式流量测量装置标准由 中国机械工业联合会 提出 由 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 认定和颁布 被赋予了法定地位 4 2 理论依据GB T2624 3 2006 差压式流量测量装置测量流量的理论基础是流体流动的能量守恒方程 及伯努利方程 Bernoulli sequation 1738 和流体流动的连续性方程 5 6 7 差压式流量测量装置的流出系数C或流量系数是在流量试验台上测定和与之对应的后用上述流量公式计算得出 或C与节流的形式 取压方式 节流件前后直管段长度流体流动的雷诺数节流件的开孔直径比 及管道内壁粗糙度有关 在选定节流件的形式及取压装置后 使节流件前后直管段长度和管道内壁粗糙度符合规定后 流出系数C和流量系数仅与和有关 的解析式不准确已知 实验所得的和 是上的点 通过曲线拟合得出的经验公式由GB T2624 3 2006给出 8 差压式流量测量装置的定义 规定了一次装置的外形 尺寸 加工方式的同时规定了其取压方式和一次装置前后直管段长度 这种流量测量系统总称为 差压式流量测量装置 9 GB T2624的本部分规定了喷嘴和文丘里喷嘴的几何尺寸和安装在管道中测量满管流体流量的使用方法 安装和工作条件 同时提供了用于计算流量并可配合GB T1624 1规定要求一起使用的相关资料 等同ISO5167 3 2003 采标情况 标准简介 发布部门 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会 起草单位 提出单位 中国机械工业联合会 主管部门 中国机械工业联合会 上海工业自动化仪表研究所 上海仪昌节流装置制造有限公司 上海光华仪表有限公司等 10 G2624 1 GB T2624 1 2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 一般原理和要求 G2624 1 GB T2624 2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 内容简介 G2624 3 GB T2624 3 2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 喷嘴和文丘里喷嘴 G2624 4 GB T2624 4 2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 文丘里管 G2624 2 GB T2624 2 2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 孔板 11 12 13 14 15 3 一次装置的形式及取压装置 古典文丘里管 前1 2D取压 后喉部取压 单独钻孔取压 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 角接取压口 29 D和D 2取压口或法兰取压口孔板的取压口问题 30 31 32 33 34 35 36 4差压式流量测量装置的设计命题差压式流量测量装置的计算 根据实际的需要大致可分成如下两类 1 已知管道内径D与节流件开孔直径d 取压方式 被测流体参数等必要条件 要求根据所测得的差压值计算被测介质的流量 2 已知管道内径D及其布置情况 被测介质的参数性质 流量范围 要求设计一个标准节流装置 即进行以下工作 选择节流件形式和确定节流件开孔直径 选择差压变送器型号和量程范围 推荐节流件在管道的安装位置 计算流量测量不确定度 37 第二类命题的设计计算步骤已知 被测流体及其工作压力 工作温度t 最大流量常用流量 最小流量 管道材料 内径 新旧程度 节流件前后管道及阻流件的情况 给出的限制条件有最小直管段 实际直管段长度 压力损失 要求完成一下工作 1 选定节流件的形式 类型 取压方式 2 选定差压计 3 计算C 4 计算所需最小直管段 并验算 5 计算最大压损 并验算 6 计算所设计的节流装置的测量不确定度 38 对于该命题 根据已知条件完成设计计算 结果不是唯一的 因为在被测流体的管道上安装的节流件 其 值是可大可小的 由于在已知条件中用户提出了限制要求 所以设计结果是在满足限制要求下的多种设计结果 该命题的设计计算是在一个确定的流量下进行的 考虑到差压流量计在分度时 为提高测量精确度 使用的C和 值是常用流量对应下的数值 所以设计计算选定在常用流量下进行 设计步骤如下 1 选定一次装置的形式 如果用户提出的压力损失限值比较大或不要求 可以选定标准孔板 如用户提出的压损限值较小 可以选定标准喷嘴或文丘里管等 对于取压方式 根据标准中提供的方式确定 目前在火力发电厂常用角接取压标准孔板测量锅炉给水流量 用角接取压标准喷嘴 ISA1932 或径距取压长径喷嘴测量过热蒸汽流量 对于标准孔板或喷嘴所选用的材料根据适用的流体及工作条件确定 在火电厂 给水流量及过热蒸汽流量测量常用的材料为不锈钢 2 选定差压计 包括选定差压计的型号 确定差压计的满度流量以及对应的最大差压 1 差压计型号的选定 统一选择DP1151 HP1151电容式差压变送器 39 2 差压计满度流量值的确定 的确定是根据用户给出的最大流量向上圆整到规定系列值中的一个邻近值 规定的流量计满度系列值为其中a 1 1 2 1 6 2 2 5 3 4 5 6 8 n 0或任意正整数或负整数 例如 230t h 圆整到 250t h 3 对应的的确定 的确定是节流装置设计计算中的关键步骤 它不完全依靠计算来确定 而是在考虑一些相互矛盾的因素后选择一个最佳的 定性地讲 选择较大的差压上限 至少有以下几个好处 需要的测量直管段长度较短 测量精度较高 适用的流量范围较宽 因为较大的差压能使 值较小 从而使推荐使用的最小雷诺数较小 而实际使用的最小的雷诺数大于推荐使用的最小的雷诺数的可能性大 测量范围较宽 但是 较大的差压会引起较大的压力损失 所以可以从限制条件出发选择最大的差压 40 a 满足时的取值范围的确定 由 0 7上游第二阻流件形式 确定出值 取 则 由 上游第一阻流件形式 确定出 是最小直管段时对应的直径比 根据最小直管段长度L与 的关系可知 要满足 则必须使得设计确定的 满足 通过以下计算可确定的取值范围 即而显然应有 41 b 满足时取值范围的确定 确定差压上限的计算式为标准孔板标准喷嘴 c 满足最小雷诺数推荐值时的取值范围的确定 在标准中给出了标准孔板的标准喷嘴的最小雷诺数推荐值 设计计算应满足以保证流出系数C值变化的要求 令 查表估算相应的值 得到的 可取 若 可取 则有而则应有在火电厂中 给水流量 过热蒸汽流量对应的值一般都较大 基本能满足的要求 在确定时 一般不考虑此项限制 只需在设计计算完毕后进行适应性的检验即可 42 d 不可压缩流体满足时 即的取值范围的确定 设 则应有对于此项限制 在确定时 可暂不考虑 只是在确定后再进行检验是否满足上述要求即可 e 不可压缩流体满足流体流经节流件不发生汽化 不发生相变 要求的取值范围的确定 此时应有 为当时温度下的饱和压力 也即或设则应有在火电厂给水流量的测量中 远远不会发生流经节流件时发生汽化的情况 因此在电厂流量测量时 确定不由此考虑 在确定时 如果出现矛盾的情况 则要适当放宽已知条件中的限制要求 最后确定的值时 要考虑选择差压值满足量程规定的系列值 这些系列值包括 其中n为0或正 负整数 选择连续可调整量程的差压计更容易满足限制要求 确定值后 常用流量对应的差压应为 43 3 迭代计算 计算C 时 也需要利用相关的公式技进行迭代计算 计算是在常用流量和差压下进行 涉及的公式有1 辅助计算 查出流体密度 管道线膨胀系数 管道粗糙度K 节流件材料线膨胀系数 流体等熵指数k 过热蒸汽k 1 30 空气k 1 40 流体的动力粘度 并计算值 以及下量 44 2 迭代计算C 将式中的所有已知量放在等式的一边作为不变量 记为A 即将未知量放在等式的另一边 所以迭代公式为设弦截法计算中的变量为则在假设第一个和后 就可根据上式和流出系数C及可膨胀系数 的计算公式进行迭代计算 迭代初值可假设为 可根据不同的节流件假设 对于标准孔板 可设对于标准喷嘴 可设 45 迭代的具体步骤如下 根据节流件的形式 假设和 对于液体 令 1 将和代入上式计算变量 根据计算直径比 即得到值后 计算流出系数和可膨胀系数 差值 将和代入上式可得到变量 根据第 步可得 流出系数 可膨胀系数和差值 将 和代入弦截法计算公式得 根据第 步可得 和差值 如果 一般迭代计算结束 根据就可以求得 从而求得节流件开孔直径 4 计算节流件的安装位置和最大压损 根据节流装置直管段长度要求和实际的管路布置系统 可得节流件的最佳安装位置 并验算 计算最大压损 并验算 5 计算所设计的节流装置的测量不确定度 46 5 设计与计算方法 对于第二类设计命题流量公式为 上式中的未知量有 其中C有经验公式 有经验公式 孔板 或理论公式 其它节流件 组成联立方程 需求解的未知数有四个 且为超越方程 即使未知数为 个 亦无法直接求出解析解 47 超越方程一般没有解析解 而只有数值解或近似解 只有特殊的超越方程才可以求出解析解来 解决这类方程 工程数学中 数值分析 提供了一种求取数值解的方法 迭代法 具体方法简要介绍如下 用迭代法求方程的根 硕士研究生课程 数值分析片段 48 考虑下列形式的方程 这种方程是隐式的 因而不能直接求出它的根 但如果给出根的某个猜测值x 将其带入 1 式的右端 即可求得 然后 我们又可取x1作为猜测值 进一步得到 如此反复迭代 如果按公式 确定的数列 xk 有极限 则称迭代过程 2 收敛 此时的显然就是方程 1 的根 1 2 49 上述迭代法是一种逐次逼近法 其基本思想是将隐式方程 1 归结为一种显式的计算公式 2 就是说 迭代过程实质上是一个逐次显式化的过程 我们用几何图像来显示迭代过程 方程 的求根 问题在xy平面上就是要确定曲线 与直线y x的交点 50 对于的某个近似值 在曲线可确定一点它以为横坐标 而纵坐标等于过引平行x轴的直线 交直线y x于点 然后过再作平行于y轴的直线 它与曲线的交点记作 则点的横坐标为 纵坐标则等于 按图中箭头所示的路径继续做下去 在曲线上得到点列 其横坐标分别为依公式 则相应的迭代值 求得的迭代值 如果点列 趋向于点 求的根 收敛到所 51 例如求方程 在 附近的根 解 将方程写成下列形式 据此建立迭代公式 K 0 1 2 3 n 下表记录了各步迭代的结果 我们看到 如果仅取6位数字那么结果x7与x8完全相同 这时可以认为x7实际上已经满足方程 即为所求的根 52 实际工程问题均有解 可按照 GB T2624 2006 提供的求解程式 详见 常太华著 过程参数检测及仪表 中国电力出版社2006年第一版P193 P200 求出一组合理解 思考题 对于差压式流量测量装置第2类计算命题 其解是否唯一 为什么 53 6 设计要求 根据所测流体合理选择节流件的形式 差压计选择统一为 DPHP 1151电容式差压变送器或扩散硅式 差压变送器 但应说明理由 确定流量测量系统满刻度流量 以及对应的最大差压 利用迭代法求解 如果是人工计算 写清所有步骤 包括迭代步骤 可以手写也可以打印 如果是计算机编程计算 要求附有源程序 并回答相应的编程问题 注程序不允许互相抄袭 一旦发现程序雷同者 若其解合理 成绩按 通过 计分 若解不合理 发回重做 重新答辩 54 计算一次装置的安装位置和最大压损 根据节流装置直管段长度要求和实际的管路布置系统 可得节流件的最佳安装位置 并验算 计算最大压损 并验算 计算所设计的差压式流量测量装置的测量不确定度 55 济南第三仪表厂有限公司节流装置计算书合同编号 2010 7 20 计算标准 ISO5167 5