燃气轮机测试课件 第6章 流量测量技术

06第6章流量测量技术6.1容积式流量计：测量原理、腰轮/刮板/湿式气体等类型及误差分析6.2速度式流量计：涡轮式、涡街式、电磁式、超声波式与热式基础瞬时流量、流体总量与标准体积流量换算；管内流速分布与直管段要求第6章

流量测量技术6.0流量的基本概念瞬时流量(6-1)流体流量是指单位时间内通过管道横截面的流体量，称为瞬时流量，简称流量：q=dQ/dt（6-1），dQ为dt时间间隔内流过的流体量。质量流量与体积流量(6-2)按物质量的单位不同，流量分为质量流量qm和体积流量qV，单位分别为kg/s和m³/s，二者关系为qm=ρqV（6-2），ρ

表示流体密度。流体总量与标准体积流量(6-3/6-4)流体总量Q=∫qdt（6-3），单位为kg或m³，又称积分流量或累积流量，总量除以时间间隔即得平均流量。由于密度受压力、温度影响，定义标准体积流量qVn为温度20℃、绝对压力1.013×10⁵Pa条件下的体积流量，qVn=qV·ρ/ρn（6-4）。为何要测流量在燃气轮机试验与运行过程中，流体（空气、燃气等）工质的流量是反映设备负荷高低、工作状况和运行效率的关键参数之一。进气流量精确测量有助于燃气轮机性能计算和压气机喘振分析。为保持稳定运行，各部件的工质流量存在相互制约关系：通过燃气轮机各个截面的气体流量应保持相等，否则气体压力或流量本身的差异将影响相邻部件的工作。实时监测工质流量或总量，对评估循环工作过程的状态与热效率具有重要意义。三类测量方法按测量原理，工业上常用的流量测量方法大致分为容积式、速度式和质量式三类，其中速度式中的差压流量测量方法使用最为广泛，故单独列为一类。测量瞬时流量的仪表称为流量计，测量流量总量的仪表称为计量表。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术

6.1.1容积式流量计测量原理qV=N·n·V式(6-5)qV：单位时间内流经流量计的流体体积V：流量计计量空间的容积N：流量计转速n：流量计转动一周流体被吸入、排出计量空间的次数推导前提为没有漏流的理想情况——流体全部由入口进入计量空间后再排至出口。工作原理与特点采用固定容积器件周期性地吸入、排出计量空间的等量体积流体，从而累加计量出流体总量。这类流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量需附加测量转速的机构或传感器；它能高精确度计量流体总量，常用来标定其他流量测量装置，且测量精度理论上与管道安装条件、流体黏性、密度和流态无关。理论计算准确性所基于的三个假设①流量计的实际排量与理论排量具有一致性；②

全部流过流量计的流体都经过计量，即不存在泄漏情况；③

全部流体只经过流量计的计量空间一次，即确保没有回流。实际计量的准确性取决于与以上三个假设的吻合程度。影响吻合程度的三个因素①计量空间的基本尺寸；②

计量空间活动面与固定面之间的缝隙；③

缝隙之间泄漏流的速度。因此该类型流量计常用于流体性质变化大且测量精度要求高的场景，如石油、天然气、食品和化工行业等。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术6.1.2/6.1.3容积式流量计类型与误差图6-1腰轮式流量计工作原理（原书）图6-4容积式流量计误差特性曲线（原书）转子式流量计（图6-1）腰轮式流量计由计量室内一对共轭曲面的双叶腰轮与计量室外同轴的一对同步驱动齿轮构成：流体由入口p₁进入、出口p₂流出，腰轮在压差作用下旋转并排出计量空间内流体，两轮交替吸入排出；还有椭圆齿轮式、圆柱齿轮式、螺旋形转子式等。旋转叶片式与湿式气体流量计刮板式由转子槽中伸出的两刮板与内壁形成定容积腔，转子每转一圈形成四次定容积腔，理论排量为四腔流体量之和；弹性刮板式理论排量等于计量室容积的3倍。湿式气体流量计（图6-3）为无泄漏容积式流量计，准确度可达0.2~0.5级，适合小流量气体测量。误差分析（6-6~6-11）存在间隙漏流时qVt=NnV+δV（6-6），流量指示值qVa=αNnV（6-7）；液体层流漏流δV=kΔp/μ（6-10）。图6-4显示小流量时误差急剧向负方向倾斜。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术6.2.1涡轮流量计图6-6涡轮流量计结构原理示意图（原书）图6-8涡轮流量计特性曲线（原书）速度式测量与原理速度式测量以管内流速为依据：qV=v̄A，要求仪表前后有足够长直管段或加装整流器，使流速分布与分度时一致（图6-5）。涡轮流量计以动量矩守恒为基础，流体冲击涡轮叶片使其旋转，转速随流量变化；按叶轮相对流向分为切向式与轴流式。结构与转速测量(6-21~6-23)主要元件包括整流器、涡轮、感应线圈和前置放大器，涡轮及其组合与感应线圈、前置放大器统称涡轮流量传感器。转速可用电磁法、光电法、霍尔效应法测量：f=nZ（6-21），qV=f/ξ（6-22），ξ=f/qV（6-23）为流量系数。特性曲线与安装使用小流量时阻力矩较大、ξ

急剧下降；层流到湍流过渡区出现ξ峰值；流量再增大后曲线接近水平，允许使用在平直部分，ξ

线性度在±0.5%以内、复现性在±0.1%以内。安装应避免振动、强磁场与热辐射，上游20D、下游5D。qV正比于涡轮转速n（6-17~6-20）。测量精度高，变送器基本误差为±(0.2~1.0)%，高精密度可达±(0.1~0.2)%；测量范围宽、响应快、耐压可达16MPa、压力损失小；主要问题是对被测流体清洁度要求较高、适用温度范围较小（-20~120℃）、轴承磨损易影响使用寿命。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术

6.2.2涡街流量计图6-9非流线型柱体后方涡街的发生情况（原书）旋涡频率只与流速有关，一定雷诺数范围内几乎不受流体压力、温度、黏度和密度变化影响，可不单独标定；误差一般±1%，重复性约±0.5%，压力损失小，范围度可达100∶1。卡门涡街与频率(6-24~6-32)在流体中放置对称形状的非流线型柱体，下游两侧交替出现旋涡并形成规则的双列线涡——卡门涡街；h/l=0.281时涡街稳定。单侧旋涡频率f=St·v/d（6-24），ReD=500~150000时St基本不变（圆柱体0.21、正三棱柱0.16）。结构与感测器（图6-10）由旋涡发生体、感测器和信号处理系统组成，发生体有圆柱体、方柱体与三棱柱体等形式。感测器分流体振荡感测与压力变化感测两类；超声波感测器为非接触式：旋涡使声束折射、反射，接收换能器输出幅值减小，旋涡频率即超声信号的调制频率。安装要求（表6-4）下游直管段不小于5D，上游直管段要求见表6-4（90°弯管需20D，加整流器为15D）；安装时应使发生体轴线与管道轴线垂直，夹角最大不超过5°。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术

6.2.3电磁流量计图6-11电磁流量计工作原理（原书）图6-14电磁流量计特性曲线（原书）测量原理(6-33~6-36)根据法拉第电磁感应定律，导电流体在磁场内流动，在测量管壁与流动方向、磁场方向相互垂直的一对电极间产生感应电动势E=kBDv̄（6-33）；体积流量qV=πD²v̄/4（6-34），故有qV=E·πD/(4kB)（6-35）与qV=K·E/B（6-36），K为仪表常数。传感器与抗干扰传感器由磁路部分、测量导管、电极、衬里及外壳组成，导管须用高电阻率非磁性材料。直流磁场会使液体电解、电极极化，工业上多用交变磁场；信号电动势与正交干扰同频而相差90°，可通过使引线回路与磁力线平行或设调零电位器消除。流量特性与安装特性曲线以流速为横坐标、指示值误差为纵坐标（图6-14），0.25m/s以下随流速降低误差呈快速上升趋势。安装时最好垂直安装并使流体自下而上通过，上游直管段大于5D，转换器外壳也应接地；测量管内必须充满导电液体且电导率均匀。按构成方式分为分体型和一体型（图6-15）。为无干扰测量、不产生压力损失，对环流不敏感，可测正反方向及脉动流量，不受温度、压力、密度、黏度影响；管径2.5mm~2.4m、量程比100∶1，工作温度≤200℃、压力≤4MPa；被测介质必须导电，不能测量气体、蒸汽及石油产品等。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术

·6.2.4/6.2.5超声波流量计与热式流量计图6-16超声波流量计（原书）图6-20托马斯流量计原理（原书）超声波测量原理(6-40~6-43)超声波向上游和向下游的传播速度因叠加流速而不同，据传播速度之差可测得流速，方法有时间差、相位差或频率差。时间差Δt（6-40/6-41）与相位差Δφ=ωΔt（6-42）受声速随温度变化影响，需温度补偿；频率差法（6-43）与声速无关，工业上常用。结构、分类与应用(6-46~6-52)管壁斜对面固定两个振子兼作发送与接收（图6-16），交替测出单环频率f₁、f₂并由Δf求得流量qV（6-51）。按安装方式分管段式与外夹持式，按声道分对射式与反射式；贸易交接常用多声道流量计（图6-17），夹持式非介入但准确度较低。热式流量计(6-54~6-59)利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化测量质量流量，压损低、范围宽、无可动部件。热线风速仪以直径1~5μm的金属丝为加热体，Q=I²R=K₁+K₂√v（6-54/6-55），平均速度范围1~500m/s；托马斯流量计（图6-20）由温差与加热量关系qm=Q/(cpΔT)（6-57）测质量流量；边界层流量计（图6-22）通过维持温差恒定、由加热功率直接测量质量流量。燃气轮机试验与测试技术第6章

流量测量技术

燃气轮机试验与测试技术6.3差压式流量计6.3基于伯努利定律测差压得流速/流量·皮托管·均速管·节流装置·浮子（恒压变截面）差压式是最古老、应用最广的流量测量方法：通过测量流体流动产生的差压Δp

来求取流速或流量。差压可来自流体滞止或通流截面改变。核心公式v=√(2Δp/ρ)

(6-60)不可压缩流体可压缩流体引入校正系数(1−ε)：(6-61)、(6-62)（Ma<0.25）结论：节流变压降流量计经长期实践已标准化，标准节流件（孔板/喷嘴/文丘里）无需实流标定即可保证精度。第6章

流量测量技术

燃气轮机试验与测试技术6.3.1皮托管流量计图6-23具有椭圆头部的标准皮托管皮托管利用测量全压与静压之差（动压Δp）来求流速，原理基于伯努利方程。①

标准皮托管具椭圆头部，探头直径d≤15mm；全压孔与探头同心，静压孔距头部8d、孔数≥6。②

圆管平均流速按表6-5测点加权；层流时y=0.7071R处流速即截面均值。核心公式v=√(2Δp/ρ)

(6-60)不可压缩可压缩乘(1−ε)(6-61)；Ma<0.25时(6-62)椭圆头部皮托管流动特性优良，被认为是最佳的标准皮托管。第6章

流量测量技术

·燃气轮机试验与测试技术6.3.2均速管流量计图6-25均速管流量计均速管为不断流取出型结构：中空杆迎流面多点测总压、背流面一点测静压，由差压反映流量。质量流量方程qm=αε(π/4)D²√(2ρ₁Δp)

(6-65)变量分统计量α、ε

与实测Δp、ρ₁

两类·α受检测杆形状/开孔数/安装偏差影响，最难确定。·

优点：结构轻、压损极小、便于维修；缺点：准确度低。误差一般2%~5%，但管道条件好时重复性可达0.5%~1%。第6章

流量测量技术

·燃气轮机试验与测试技术6.3.3浮子流量计图6-26浮子流量计工作原理浮子（转子）流量计为恒压变截面式：浮子平衡高度H与流量一一对应。①

玻璃管（直观、就地指示）与金属管（远传、高温高压）两类。②

锥度很小时通流面积A₀≈C·H，故qV≈αCH(6-75)，与H近似线性。③

刻度须按密度/黏度校正；改浮子材料密度可改变量程。量程比可达10:1，准确度±(1~2)%；适用小管径、低流速（最大口径40~50mm）。第6章

流量测量技术

燃气轮机试验与测试技术6.3.4节流变压降流量计原理图6-29节流元件前后压力与速度变化在管道中设节流件使通流截面改变，前后静差压与流量成确定函数关系。·

由节流件+取压装置+前后直管段组成；发展早、数据可靠，工业广泛应用。·

图6-29：截面2处流束最小、流速最大、压力最低；扩张后静压回升但存在损失δp。流量方程不可压缩qm=α(π/4)d²√(2ρ₁Δp)(6-89)可压缩乘膨胀系数ε(6-92)、(6-93)标准节流装置（孔板/喷嘴/文丘里）标准化后无需实流标定即可保证精度。第6章

流量测量技术燃气轮机试验与测试技术标准节流装置与孔板/喷嘴图6-31标准孔板结构标准孔板中间开孔薄板（不锈钢）；角接/法兰/径距取压；适用范围见表6-7。图6-32标准喷嘴结构标准喷嘴对称轴旋转体，A/C1/C2/F/H五部分；50≤D≤500mm，0.3≤β≤0.8。图6-30标准节流装置示意图装置组成上游第一阻力件—节流件—下游阻力件，配前后直管段。第6章

流量测量技术燃气轮机试验与测试技术取压装置图6-33环室/单独钻孔取压角接取压环室均压（广用）或单独钻孔；管径>500mm多用钻孔取压。图6-34法兰取压装置法兰取压取压孔距节流件端面(25.4±0.5)~(25.4±1)mm，孔径≤0.13D。图6-35径距取压装置径距取压l1=D、l2=0.5D（偏差随β定）；上下游成对取压。第6章

流量测量技术

燃气轮机试验与测试技术标准节流装置参数与流量系数表6-7标准孔板适用范围流出系数C：孔板用Reader-Harris/Gallagher(1998)公式(6-97)；喷嘴(6-98)。图6-36标准孔板和ISA1932喷嘴的α₀、C与ReD、β

关系曲线角接取压法兰取压径距取压12.5mm≤d50mm≤D≤1000mm0.2≤β≤0.75当0.2≤β≤0.45时ReD≥5000ReD≥1260β2D当β>0.45时ReD≥10000第6章

流量测量技术燃气轮机试验与测试技术6.4质量流量计6.4直接测得qm不受ρ变化影响①直接式②推导式③温度压力补偿式质量流量计输出信号直接反映质量流量qm，不受压力、温度引起的密度变化影响，准确度显著提高。直接式：感受件输出直接反映qm（量热/涡轮/科里奥利）。推导式：分别测qV与ρ，经运算得qm。温度压力补偿式：测qV、T、p推算ρ再得qm。燃气轮机联合循环启停工况下，常采用带温度、压力补偿的质量流量计以保证准确qm。第6章

流量测量技术

燃气轮机试验与测试技术6.4.1直接式质量流量计—科里奥利图6-37科里奥利力质量流量计工作原理图6-38

U形管受力扭转原理U形管以固有频率振动，流体流过受科里奥利力Fc=2mvω(6-106)，使管子扭转。扭转角与质量流量θ=qm·(r/Kfω)

(6-110)r、Kf、ω

定值时θ与qm成正比，与ρ无关·

可测气体、液体、多相流体；磁探测器传感扭转角输出信号。准确度可达0.2%~1.0%，为高精度直接式质量流量计代表。第6章

流量测量技术

燃气轮机试验与测试技术6.4.2–6.4.3推导式与补偿式质量流量计图6-39差压式流量计与密度计组合图6-40体积流量计与密度计组合图6-41差压式与体积流量计组合图6-42压力、温度补偿系统推导式：分立测两参数，再运算求qm①

差压式+密度计：两信号送计算器开方，得K·ρqV=K·qm

(6-111)②

体积流量计+密度计：两信号相乘，得X·Y=K·ρqV=K·qm

(6-112)③

差压式+体积流量计：两信号相除，结果与ρqV成比例即qm

(6-113)温度、压力补偿式液体：ρ=ρ0[1+β(t0−t)]

(6-114)qm=qVρ0+qVρ0β(t0−t)

(6-115)低压气体按理想气体状态方程(6-117)，qm=C1qV

(6-118)水和油在±40℃内，式(6-115)准确度可达±0.2%。连续测温度、压力比连续测密度容易，故工业质量流量计多采用补偿式；滑参数起动与运行的燃气轮机联合发电机组常配带温度、压力补偿的质量流量计。第6章

流量测量技术燃气轮机试验与测试技术6.5流量计在燃气轮机中的应用图6-43天然气预处理工艺流程图6-44燃气轮机现场使用的超声波流量计调压站出口天然气压力4MPa额定工况；最大4.37MPa燃气计量单元的