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上游阻流件对孔板流量计测量精度的影响进行实流实验研究

作者: 来源:秒速飞艇 发布时间:2018-06-07 13:57:37

    摘要: 利用常压气体作为流动介质,以流出系数平均相对误差、线性度和不确定度为评价指标,通过实流实验,研究上游组合管件对孔板流量计测量性能的影响。根据不同的上游阻流件对孔板流量计测量精度的影响进行了实流实验研究。根据实验结果,为保证相对误差在可接受范围,给出对于不同形式的上游组合管件孔板流量计对前直管段长度的建议。

    根据海洋平台上特有的工艺处理模式和安装习惯,本文分别对中海油2006 年以后投产的9 个新建海洋平台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 的三维模型进行了流量计安装上游的管件形式的整理,发现在上述平台上孔板流量计用于对天然气的计量占76%,少数是用于对消防水和回注水的计量。总结出4 种常见的组合阻流件形式,开展上游组合管件对孔板流量计性能影响的研究,主要包括球阀+90°弯头、球阀+ 90°弯头+ 渐缩管+ 90°弯头、球阀+90°弯头+ 渐缩管、球阀+ 渐缩管。

1 实验平台的设计研究
    如图1 所示为本文实验所采用的实验装置,此实验装置为天津大学过程检测和控制实验室的高精度常压气体流量实验装置。图中的风机通过外部的变频器装置不断地调节风机的风速,从管道入口抽取空气,为实验提供稳定的空气流体,通过稳压罐来达到稳压的目的。图中的涡轮流量计为标准表,空气流体通过涡轮流量计时,可以测得空气流体的标准流量。当空气流体通过孔板流量计时,在流量计的上游和下游会产生压差,这种压差可以经过高精度的差压变送器检测并转化成4 ~20 mA 信号,然后通过16 位的A/D 转换芯片,将模拟信号转化成数字信号送到计算机进行处理,稳压罐上的温度传感器将电压信号转换成对应的温度信号,送到16 位的模拟量信号采集卡A/D 芯片进行处理; 同时模拟量信号采集卡A/D 芯片还对标准表的频率进行采集。在计算机中安装实验标定系统软件,该软件是用VB 进行编写的,支持多线程实时通信,通过这种软件,可以在计算机中实现不同的数据的显示与分析。
    下面对实验装置中用到的仪器设备的性能参数进行说明:
    标准表采用天津的华水涡轮流量计,测量范围在25 ~1 400 m3 /h之间,精度为0. 5%,重复性为0. 06%;温度传感器采用的是昆仑海岸温度传感器,精度为0.1%; 压力传感器为ROSEMOUNT 3051 型号,精度为0.075%; 差压变送器为日本横河的EJA110A,可测量的差压范围为0 ~ 10 kPa,精度为0. 075%; 模拟量信号采集卡采用的是研华PCI-1716,精度为16 位。本次实验对象选择了DN100 孔板流量计。

本文实验所采用的实验装置


2 阻流件对孔板流量计测量精度影响的实验研究
    2. 1 孔板流量计的基准实验用于孔板流量计的基准实验的前直管段长50D,后直管段长10D,管道内流体流动为充分发展的湍流状态[1][2][3][4]。前期大量文献表明,前直管段长度达到50D 时,可以认为流场已经充分发展; 同时,后直管段达到10D,不会影响孔板流量计流出系数。阻流件实验均按照前直管段50D,后直管段10D 的直管段为基准进行比较,从而得到流出系数和流出系数相对误差的变化情况。
    2. 2 上游阻流件对孔板流量计测量精度影响的实验研究
    2. 2. 1 上游阻流件类型—DN100 球阀+ DN100 单弯头的实验研究
    上游阻流件类型为DN100 球阀+ DN100 单弯头的雷诺数-流出系数曲线图如图2 所示,从图中可以看出,前直管段长度为50D、30D 的流出系数与基准实验极为接近,从10D 开始,随着前直管段长度的缩短,流出系数呈递减趋势。

  图2 上游阻流件为DN100 球阀+ DN100 单弯头的雷诺数- 流出系数曲线

    图2 上游阻流件为DN100 球阀+ DN100 单弯头的雷诺数- 流出系数曲线


    从表1 可以看出,相对于基准实验,前直管段长度为50D 和30D 时平均相对误差为正值,其他工况下为负值; 比较而言,50D 较30D 的平均相对误差略大,但量值仅差0. 06%; 从30D 开始,随着直管段长度的缩短,流出系数的相对误差呈递增趋势,此变化趋势也可见图3 所示。


    表1 阻流件为DN100 球阀+ DN100 单弯头的流出系数相对误差和不确定度

表1 阻流件为DN100 球阀+ DN100 单弯头的流出系数相对误差和不确定度
 
    图3 阻流件为DN100 球阀+ DN100 单弯头的流出系数相对误差曲线

   图3 阻流件为DN100 球阀+ DN100 单弯头的流出系数相对误差曲线

    2. 2. 2 上游阻流件类型—DN150 球阀+ DN150 变DN100 渐缩管的实验研究
    阻流件类型为DN150 球阀+ DN150 变DN100 渐缩管的雷诺数-流出系数曲线图如图4 所示,从图中可以看出,随着前直管段长度的缩短,流出系数呈递减趋势。

    图4 阻流件为DN150 球阀+ DN150 变DN100渐缩管的雷诺数-流出系数曲线

    图4 阻流件为DN150 球阀+ DN150 变DN100渐缩管的雷诺数-流出系数曲线


    从表2 可以看出,相对于基准实验,前直管段长度为30D、10D 的平均相对误差为正值,前直管段长度为4D 的平均相对误差为负值; 从绝对值上看,前直管段长度为4D 时相对误差最大,此变化趋势也可见图5所示。

    表2 阻流件为DN150 球阀+ DN150 变DN100渐缩管的流出系数相对误差和不确定度

    表2 阻流件为DN150 球阀+ DN150 变DN100渐缩管的流出系数相对误差和不确定度

图5 阻流件为DN150 球阀+DN150 变DN100渐缩管的流出系数相对误差曲线

图5 阻流件为DN150 球阀+DN150 变DN100渐缩管的流出系数相对误差曲线


    2. 2. 3 上游阻流件类型—DN150 球阀+ 90° 单弯头+ DN150变D100 渐缩管的实验研究
    阻流件类型为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150变DN100 渐缩管的雷诺数-流出系数曲线图如图6 所示,从图中可以看出,随着前直管段长度的缩短,流出系数呈递减趋势。

图6 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150变D100 渐缩管的雷诺数-流出系数曲线

图6 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150变D100 渐缩管的雷诺数-流出系数曲线


    从表3 可以看出,相对于基准实验,前直管段长度为50D 和30D 时平均相对误差为正值,其他工况下为负值; 前50D 与前30D的平均相对误差较为接近,从前30D 开始,缩短前直管段,平均相对误差呈增大趋势,此趋势也可见图7 所示。

表3 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管的流出系数相对误差

表3 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管的流出系数相对误差

 

图7 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管的流出系数相对误差曲线

 

    2.2.4 阻流件类型—DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150变DN100 渐缩管+90°单弯头的实验研究


    阻流件类型为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150变DN100 渐缩管+ 90°单弯头的雷诺数-流出系数曲线图如图8 所示,从图中可以看出,随着前直管段长度的缩短,流出系数呈递减趋势。

图8 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管+90°单弯头的雷诺数-流出系数曲线

图8 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管+90°单弯头的雷诺数-流出系数曲线


    从表4 可以看出,相对于基准实验,前直管段长度为50D 和30D 时平均相对误差为正值,其他工况下为负值; 前直管段长度为50D 与30D 的平均相对误差较为接近,从前30D 开始,缩短前直管段,平均相对误差整体呈增大趋势,此趋势也可见图9 所示。

3 结论
    安装条件的不同对孔板流量计有着很大的影响,根据不同的安装条件,对孔板流量计的测量精度的影响进行了实验研究。研究发现:

表4 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管+ 90°单弯头流出系数误差
表4 阻流件为DN150 球阀+ 90°单弯头+ DN150 变DN100 渐缩管+ 90°单弯头流出系数误差

图9 阻流件为DN150 球阀+90°单弯头+DN150 变DN100渐缩管+ 90°单弯的流出系数相对误差曲线

图9 阻流件为DN150 球阀+90°单弯头+DN150 变DN100渐缩管+ 90°单弯的流出系数相对误差曲线


    1) 当孔板流量计上游存在阻流件时,对于不同形式的阻流件,当后直管段长度不变时,随着前直管段长度变短,流出系数相对误差随之变大。
    2) 从实验结果分析,讨论的4 种组合式阻流件情况所需的前直管段长度均比ISO5167 中规定的前直管段长度短。说明标准中规定的比实际应用时更严格苛刻,而有了本文的研究数据作支撑,以后在实际设计应用时可以适当减小前直管段长度,既保证了精度也节省了空间。

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