过程参数检测及仪表课程设计名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

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课时：一周考评方式：设计汇报、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”教学团体第1页背景及意义理论依据GB/T2624.3-一次装置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第2页1.背景及意义

热力发电厂包括流量测量，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处理方案是采取差压式流量测量装置。实际上，当前热（火）力发电厂80%以上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，而实现对流体差压测量，已经有非常成熟技术；2.差压式流量测量装置无任何机械可动部件，其有效性、可靠性和长久稳定性高；3.经过长久试验，积累了大量试验数据，自1980年代以来，计算机技术与工程数学有机结合，使信息处理技术取得了质飞跃。经过处理保留试验历史数据，进行曲线拟合，得出了非常简单但十分准确经验公式，使得差压式流量装置含有高准确性；第3页4.差压式流量测量装置流量与差压之间关系以“流量测量节流装置国家标准”形式公布，流量与差压之间一一对应关系以及流量测量不确定度可按“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。第4页2.理论依据GB/T2624.3-.差压式流量测量装置测量流量理论基础是流体流动能量守恒方程，及伯努利方程（Bernoulli’sequation，1738）和流体流动连续性方程。第5页第6页第7页差压式流量测量装置流出系数C或流量系数是在流量试验台上测定和与之对应后用上述流量公式计算得出，或C与节流形式、取压方式、节流件前后直管段长度流体流动雷诺数节流件开孔直径比及管道内壁粗糙度相关。在选定节流件形式及取压装置后，使节流件前后直管段长度和管道内壁粗糙度符合要求后，流出系数C和流量系数仅与和相关。解析式不准确已知。试验所得和是上点，经过曲线拟合得出经验公式由GB/T2624.3-给出。第8页差压式流量测量装置定义：要求了一次装置外形、尺寸、加工方式同时要求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”。第9页GB/T2624本部分要求了喷嘴和文丘里喷嘴几何尺寸和安装在管道中测量满管流体流量使用方法（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要求要求一起使用相关资料。等同ISO5167-3-

英文名称：

Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull采标情况：

标准介绍

公布日期：

-12-13公布日期：

-12-13

公布部门：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企业、上海光华仪表有限企业等第10页G2624.1《GB/T2624.1-用安装在圆形截面管道中差压装置测量满管流体流量:普通原理和要求》G2624.1《GB/T2624-用安装在圆形截面管道中差压装置测量满管流体流量》内容介绍G2624.3《GB/T2624.3-用安装在圆形截面管道中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-用安装在圆形截面管道中差压装置测量满管流体流量:文丘里管》G2624.2《GB/T2624.2-用安装在圆形截面管道中差压装置测量满管流体流量:孔板》第11页第12页第13页第14页第15页3.一次装置形式及取压装置长颈喷嘴：径距取压（前D、后1/2D）文丘里喷嘴：上游角接取压、下游喉部取压古典文丘里管：前1/2D取压、后喉部取压单独钻孔取压第16页第17页第18页第19页第20页第21页第22页第23页第24页第25页第26页第27页第28页角接取压口第29页D和D/2取压口或法兰取压口孔板取压口问题第30页第31页第32页第33页第34页第35页第36页4差压式流量测量装置设计命题差压式流量测量装置计算，依据实际需要大致可分成以下两类。（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，要求依据所测得差压值计算被测介质流量。（2）已知管道内径D及其布置情况、被测介质参数性质、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；推荐节流件在管道安装位置；计算流量测量不确定度。第37页第二类命题设计计算步骤已知：被测流体及其工作压力、工作温度t，最大流量惯用流量、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情况。给出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）选定节流件形式（类型、取压方式）；（2）选定差压计；（3）计算C、ε、β、；（4）计算所需最小直管段、、，并验算；（5）计算最大压损，并验算；（6）计算所设计节流装置测量不确定度。第38页

对于该命题，依据已知条件完成设计计算，结果不是唯一。因为在被测流体管道上安装节流件，其β值是可大可小。因为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各种设计结果。该命题设计计算是在一个确定流量下进行。考虑到差压流量计在分度时，为提升测量准确度，使用C和ε值是惯用流量对应下数值，所以设计计算选定在惯用流量下进行。设计步骤以下：（1）选定一次装置形式。假如用户提出压力损失限值比较大或不要求，能够选定标准孔板。如用户提出压损限值较小，能够选定标准喷嘴或文丘里管等。对于取压方式，依据标准中提供方式确定。当前在火力发电厂惯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取材料依据适用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惯用材料为不锈钢。（2）选定差压计。包含选定差压计型号；确定差压计满度流量以及对应最大差压。

1）差压计型号选定。统一选择DP1151、HP1151电容式差压变送器。第39页2）差压计满度流量值确实定。确实定是依据用户给出最大流量向上圆整到要求系列值中一个邻近值。要求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。比如=230t/h，圆整到=250t/h。

3）对应确定。确实定是节流装置设计计算中关键步骤。它不完全依靠计算来确定，而是在考虑一些相互矛盾原因后选择一个最正确。定性地讲，选择较大差压上限，最少有以下几个好处：需要测量直管段长度较短；测量精度较高；适用流量范围较宽。因为较大差压能使β值较小，从而使推荐使用最小雷诺数较小，而实际使用最小雷诺数大于推荐使用最小雷诺数可能性大，测量范围较宽。不过，较大差压会引发较大压力损失。所以能够从限制条件出发选择最大差压。

第40页（a）满足时取值范围确实定。由（β=0.7上游第二阻流件形式）确定出值。取，则，由（β

上游第一阻流件形式）确定出。是最小直管段时对应直径比。依据最小直管段长度L与β关系可知，要满足，则必须使得设计确定β满足。经过以下计算可确定取值范围，即而显然应有第41页（b）满足时取值范围确实定。确定差压上限计算式为标准孔板标准喷嘴（c）满足最小雷诺数推荐值时取值范围确实定。在标准中给出了标准孔板标准喷嘴最小雷诺数推荐值。设计计算应满足以确保流出系数C值改变要求。令，查表估算对应值。得到，可取；若，可取，则有而则应有在火电厂中，给水流量、过热蒸汽流量对应值普通都较大，基本能满足要求。在确定时，普通不考虑此项限制，只需在设计计算完成后进行适应性检验即可。第42页（d）不可压缩流体满足时,即取值范围确实定。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）要求取值范围确实定。此时应有（为当初温度下饱和压力），也即或设则应有在火电厂给水流量测量中，远远不会发生流经节流件时发生汽化情况。所以在电厂流量测量时，确定不由此考虑。在确定时，假如出现矛盾情况，则要适当放宽已知条件中限制要求。最终确定值时，要考虑选择差压值满足量程要求系列值，这些系列值包含：其中n为0或正、负整数。选择连续可调整量程差压计更轻易满足限制要求。确定值后，惯用流量对应差压应为第43页（3）迭代计算。计算C、ε、β、时，也需要利用相关公式技进行迭代计算。计算是在惯用流量和差压下进行，包括公式有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）、流体动力粘度，并计算值、以及下量第44页2）迭代计算C、ε、β、。将式中全部已知量放在等式一边作为不变量，记为A，即将未知量放在等式另一边，所以迭代公式为设弦截法计算中变量为则在假设第一个和后，就可依据上式和流出系数C及可膨胀系数ε计算公式进行迭代计算。迭代初值可假设为，可依据不一样节流件假设：对于标准孔板，可设对于标准喷嘴，可设第45页迭代详细步骤以下：①依据节流件形式，假设和。对于液体，令ε=1。②将和代入上式计算变量。③依据计算直径比，即得到值后，计算流出系数和可膨胀系数。差值。④将和代入上式可得到变量，依据第③步可得、流出系数、可膨胀系数和差值⑤将、、、和代入弦截法计算公式得，依据第③步可得、、和差值。⑥假如，，普通迭代计算结束。依据就能够求得，从而求得节流件开孔直径。（4）计算节流件安装位置和最大压损。依据节流装置直管段长度要求和实际管路布置系统，可得节流件最正确安装位置，并验算；计算最大压损，并验算。（5）计算所设计节流装置测量不确定度。第46页5.设计与计算方法对于第二类设计命题流量公式为：上式中未知量有：其中C有经验公式：（１）（２）有经验公式（孔板）或理论公式（其它节流件）：（３）（１）（２）（３）组成联立方程，需求解未知数有四个，且为超越方程，即使未知数为１个，亦无法直接求出解析解。第47页超越方程普通没有解析解，而只有数值解或近似解，只有特殊超越方程才能够求出解析解来。处理这类方程，工程数学中“数值分析”提供了一个求取数值解方法－迭代法，详细方法简明介绍以下：用迭代法求方程根硕士硕士课程—数值分析片段第48页

考虑以下形式方程：

这种方程是隐式，因而不能直接求出它根。但假如给出根某个猜测值x。,将其带入（1）式右端，即可求得：然后，我们又可取x1作为猜测值，深入得到：如此重复迭代，假如按公式：确定数列{xk}有极限：则称迭代过程（2）收敛，此时显然就是方程(1)根。（1）（2）第49页

上述迭代法是一个逐次迫近法，其基本思想是将隐式方程（1）归结为一个显式计算公式（2）。就是说，迭代过程实质上是一个逐次显式化过程。我们用几何图像来显示迭代过程，方程求根问题在xy平面上就是要确定曲线与直线y=x交点第50页

对于某个近似值，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轴直线，交直线y=x于点，然后过再作平行于y轴直线，它与曲线交点记作，则点横坐标为，纵坐标则等于，按图中箭头所表示路径继续做下去，在曲线上得到点列…，其横坐标分别为依公式则对应迭代值求得迭代值…假如点列｛｝趋向于点求根收敛到所第51页比如求方程：

在附近根解：将方程写成以下形式：据此建立迭代公式：K=0,1,2,3...n下表统计了各步迭代结果，我们看到，假如仅取6位数字那么结果x7与x8完全相同，这时能够认为x7实际上已经满足方程即为所求根。第52页实际工程问题都有解，可按照“GB/T2624-”提供求解程式（详见：常太华著《过程参数检测及仪表》中国电力出版社第一版P193-P200），求出一组合了解。思索题：对于差压式流量测量装置第2类计算命题，其解是否唯一？为何？第53页6.设计要求①依据所测流体合理选择节流件形式；②差压计选择统一为DPHP1151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最大差压；③利用迭代法求解假如是人工计算，写清全部步骤，包含迭代步骤，能够手写也能够打印；假如是计算机编程计算，要求附有源程序，并回答对应编程问题，注程序不允许相互剽窃，一旦发觉程序雷同者，若其解合理，成绩按“经过”计分，若解不合理，发回重做，重新答辩。第54页④计算一次装置安装位置和最大压损。依据节流装置直管段长度要求和实际管路布置系统，可得节流件最正确安装位置，并验算；计算最大压损，并验算⑤计算所设计差压式流量测量装置测量不确定度。第55页济南第三仪表厂有限企业节流装置计算书协议编号：-7-20#计算标准：ISO5167项目名称安装位号2-2流体名称过热蒸汽数量1套订货时间-7-20订货内容标准孔板安装方式水平订货单位华电漯河发电有限企业节流件名称角接取压标准孔板设计单位济南第三仪表厂有限企业工艺条件刻度流量150最大流量150惯用流量70最小流量20流量单位T/h差压上限（pa）40000工作压力（绝压）P1(MPa)2.1工况密度ρ１（kg/m3

）8.3911流体粘度μ1（mPa.s）0.0202工作温度t(oC)300管道内径

(mm)510等熵指数k1.2922管道线膨胀系数１０＾－６mm/mmoC12.78节流件线膨胀系数１０＾－６mm/mmoC17.20相对湿度状态上游阻力件情况相对湿度（%）管道粗糙度（mm）0.05压缩系数Z1最大可能蒸汽压（Pa）最大可能蒸汽密度（kg/m3）工况湿度Φ１（％）第56页济南第三仪表厂有限企业节流装置计算书协议编号：-7-20#计算标准：ISO5167项目名称安装位号3-1流体名称过热蒸汽数量1套订货时间-7-20订货内容标准孔板安装方式水平订货单位华电漯河发电有限企业节流件名称角接取压标准孔板设计单位济南第三仪表厂有限企业工艺条件刻度流量150最大流量150惯用流量70最小流量10流量单位T/h差压上限（pa）250000工作压力（绝压）P1(MPa)2.1工况密度ρ１（kg/m3

）8.3911流体粘度μ1（mPa.s）0.0202工作温度t(oC)300管道内径