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煤氣管道脈動流對孔板流量計的影響
發布時間:2019-01-24

摘要:對不滿足規定的多脈動源形成的復雜脈動流對孔板流童計的影響進行了研究。結合實際情況提出了復雜脈動流條件下孔板流童計計童誤差的估計方法,并通過對實際管道中復雜脈動流的測試和分析,得出不同脈動工況下孔板流黃計計童誤差范圍。
孔板流量計是目前工業生產中用來測量氣體、液體和蒸汽流量應用最廣泛的一種流量儀表,據調查統計,孔板流量計占流量儀表用量的60%一70%。雖然它存在阻力損失大,安裝時需要直管段較長等缺點,但它具有結構簡單,安裝方便,工作可靠,成本低,具有一定準確度以及結構已標準化,不需要單獨標定等優點,能滿足工程測量的需要。同時,在設計、制造和應用孔板流量計時,又有國際標準ISO5167為依據,因此在實際工程中被廣泛的應用。在大口徑煤氣管道的測量中,也將孔板作為首選儀表。
  根據ISO5167的規定,應用標準孔板的一個很重要的前提條件之一,是管道中的介質流動為穩定流動。當孔板應用于脈動流情況下時,作為標準的ISO5167將不再適用。而且,由于脈動流動的影響,孔板流量計的流量示值會產生很大的誤差。
  國際標準化組織ISO于1992年通過了技術報告儀ISO/跟TR3313《使用孔板、噴嘴或文丘利管測量管道中脈動的流體流動》圖,主要是針對單脈動源形成的周期脈動流,討論了孔板流量計測量脈動流時應遵循的一些指導原則,并指出了一定的脈動幅值范圍內流量計測量示值誤差的估計公式。
  在研究煤氣廠外輸煤氣管道中的流量計量問題時,遇到的脈動氣流是一種由多個脈動源形成的,脈動幅值較大的非正弦、無明顯周期性且受輸出端變化負載影響的復雜脈動流動。在運用孔板流量計測量這種復雜脈動氣流時,如何估計其指示流量值的誤差范圍,這己超過廠技術規程ISO/跟TR3313中的規定。
  經過一年多的研究,筆者以ISO/跟TR3313為主要依據,在理論分析和實際測試的基礎上,提出了一種復雜脈動流條件下孔板流量計示值誤差估計的工程實用方法。實驗結果表明,按這種方法估計的復雜脈動流動情況下的孔板流量計誤差與生產部門的長期統計數據基本相符。
一、脈動流對孔板流量計影響的羞本原理
  從研究結果3[]可得,脈動流對孔板流量計示值誤差的影響來自兩個方面:一是對孔板流量計一次元件產生的影響,即孔板流量計在測量脈動流時所存在的原理上的誤差;二是對孔板流量計信號傳遞及轉換系統和流量計算方法所產生的影響(見圖l)。
孔板流量計流量信號傳遞示意圖
  從脈動流條件下孔板(一次元件)響應行為的研究中可以得到,在管道中的流動為一維流動的假設下,孔板對脈動流的響應可根據非穩定流動量方程和連續性方程導出比41:

式中
q(t)—管道中的被測流量信號
△P(t)—孔板兩側的差壓信號
ρ—流體密度
K1、K2—系數
其物理意義為:
①在脈動流動狀態下,孔板流量計的基本特性沒有改變,即它的輸出△P(t)與輸人量q(t)之間仍然保持著均方根的關系。
②此時孔板兩側的差壓信號可視為兩部分組成:一部分是流體通過節流孔時遷移加速(Covnectioaccel-acecel)產生的差壓,在理想情況下這部分差壓與該瞬時脈動流量質量相同的流體在穩定流動時產生的差壓△P(t)。相同;另一部分是由于要克服流體慣性以實現流體瞬時加速,即dq(t)/dt引起的額外差壓△P(t)。所以,脈動流產生的差壓為:

  因此,用孔板測量脈動流時,其差壓輸出值會增大(對相同的平均流量而言),并產生流量示值正誤差,國外的研究及實驗結果證實了這一結論。
  在滿足ISO/TR3313規定的阻尼和安裝條件的前提下,假定不考慮孔板流量計的二次儀表(包括差壓變送器和導壓管線)的誤差,且脈動的瞬時差壓值是采用快速響應的儀表直接在孔板處測得的,那么,對于不可壓縮流體,用上述方法測得的差壓值取時間平均值后,按ISO 5167給出的公式計算得到的流量值與實際的平均流量值之間將有一個正的系統誤差Er,并可按下列公式估計:

可以按下列公式估計流量示值誤差:

  由于脈動效應在二次裝置(導壓管線、差壓變送器)會引起孔板流量計示值的隨機不確定性,特別是在二次裝置中差壓的進步畸變,會導致流量計算中孔板均方根校正的失敗。另一方面,孔板的流出系數在脈動流狀態下的變化也會導致流最示值的附加不確定度。因此,采用孔板流量計測量脈動流時,不能直接應用ISO 5167,必須先按照ISO/TR 3313的要求進行設計,但安裝要求等仍應滿足ISO 5167的規定。
二、實際輸送過程及測里系統
1.煤氣生產傳輸流程簡介
  某煤氣廠煤氣的生產和傳輸過程如圖2所示。煤氣發生爐產生的煤氣,經傳輸管路分別輸人和存儲在1“、2“、3”三個儲氣柜中。當需要向城市煤氣管網(簡稱外網)供氣時,可根據需要,同時開啟不同臺數的往復式活塞壓縮機,將儲氣柜中的煤氣抽出,壓縮后排人匯流管和采集管,然后分別從南、北兩條直徑為630n二的管線送人城市管網。
孔板流量計在煤氣廠輸氣管線示意圖
2.煤氣流量計計量系統
  計量煤氣流量的2臺孔板流量計分別安裝在南、北管線_L,與孔板配套的2臺差壓變送器被安裝在管道一側的儀表箱內,差壓變送器的輸出信號通過導線接到安裝在控制室內的二次儀表。
  該煤氣廠現有的煤氣流量計量儀表系統,按其功能分成現場檢測、信號轉換和流量積算打印三個部分,圖3為計量系統構成圖。
  圖3中,現場流量檢測采用可換孔板節流裝置,該裝置能確保孔板在管道中的垂直度和同心度符合國家標準。信號轉換部分應用K系列差壓變送器。流量積算儀和打印部分采用大量程比質量流量儀,該儀表能對現場壓力、溫度、雷諾數進行在線補償,其鼠程比為1:01,高于常規質量流量儀表。其采樣時間為每10胖采個數,連續采8路(每路采10次)然后取平均,計算周期為5。
孔板流量計計量系統構成圖
  此外,煤氣的成分分析、含水量及灰塵雜質等數據的測量,由專門工作人員按規定的抽樣檢驗時刻完成。
3.煤氣輸送管道中的煤氣流動狀況
  該煤氣廠煤氣輸送管道中的煤氣流動是一種復雜的脈動流動工況。圖4、圖5反映了流速的脈動狀況。


  對于不同工況下的脈動流動,除廠排出流量的大小不同以外,所產生的脈動頻率和脈動幅值也都有所區別。從實驗分析的結果來看,隨著開機臺數的增加,脈動頻率逐漸升高,脈動幅值逐步降低。
  通過實際測試還可以得到,在不同的季節和開機狀態下,外網負載(壓力)也發生變化,其變化范圍為0.05~0.14MPa,變化幅值達到土50%。
  當外網負載變化時,由多脈動源形成的復雜脈動流的波形也有所變化。除了隨著外網負載的變化,壓縮機的開機工況不同外,在同一工.況情況卜,壓縮機的工作狀態也發生變化,隨著外網負載壓力的升高.壓縮機的一工作效率降低,排氣城減少,針道中流體脈動的頻率和幅值也都隨之發生變化.
三、煤氣輸送管道中脈動流動的測量
  對孔板在復雜脈動流動狀態卜的響應行為進行分析時,可以得到流體運動學最基本的非穩定流的動吊-方程和連續性方程仍然成立。因此,在討論孔板前后取壓孔之間的差壓信號△p(t)與被測脈動流鼠q(t)之間的關系時,做如下假設,即
①在流體流過孔板時,仍被認為是維流動;仁)在全部復雜脈動流動過程中,流體的流線形狀不發生改變、根據這些假設,對于不可壓縮流體,從兩個基本方程出發差服信號△p(t)與被測脈動流量q(t)之間關系可以用公式表示:

由此,可以得到:
  在復雜脈動流動狀態下,描述孔板的非定常流動的基本方程沒有發汁改變,即它的輸出量△p(t)與輸入量q(t)之問仍然保持均方根關系,并同樣受到脈動流狀態卜,流體的瞬時慣性作川和流辰系數變化的影響。
②ISO/TR3313中所討論的單一脈動源、周制期性脈動流的情況相比發生變化、在復雜脈動流的狀況下,式(10)中的系數人,所代表的瞬時慣性的影響和K2所代農的流量系數變化的影響也就不同了。
通過以上研究.在分析煤氣廠外輸煤氣針道中復雜脈動流測量誤差范圍時,主要考慮以卜兩個方面:
任何周期信號均可用傅立葉分析的方法,分解成若干個周期信號之和,非周期脈動對孔板流量計輸出差壓信號的影響,可以看做是若干個單一頻率周期脈動的作用之和(條件是基頻響應遠大于其它諧波分量影響)。
②利用現場存在獨立的質量流量參考系,即用時間容積+密度的測量方法可以確定被壓縮機抽取的煤氣質量流量(穩態值),為現場計量系統提供“點”檢驗數據,并對其它各種因素(包括二次儀表、流量系數變化等)造成疊加誤差和計算中帶來的誤差進行校正。
?? 根據以上描述,以ISO/TR3313為主要參考,提出一種工程實用方法來估計該孔板流量計測量復雜脈動流時所產生的附加誤差。
用孔板測量差差壓脈動信號的時間歷程,進而確定脈動幅度。
②對差壓△p(t)信號進行傅立葉分析,確定脈動信號的基頻和其它各次諧波及相應的幅值。
③關于實際煤氣管網變負載的影響,采取在線監測、補償的處理方法。這樣可以認為,孔板流量計的每個測量點是在相對穩定的負載條件下測量脈動流。
④取現場標定得到的不同臺壓縮機的平均排氣量,作為不同脈動狀況下管道中煤氣的平均流量(即穩態流量值),進而計算得到穩定差壓值△ps。
⑤運用ISO/TR3313中的誤差估計公式,對孔板流量計的示值誤差進行估算,得出一、二、三、四臺機工作時各自對應的流量顯示值誤差ET。
⑥在現場的儀表測量取多次平均結果的前提下,將現場流量計二次儀表的指示值Qv(標方)與壓縮機的平均輸出流量值QS相比較,可以得到現場流量儀表的示值誤差Ev。
⑦以現場儲氣柜為標準容積,采用時間一容積法對壓縮機抽取氣體質量流量進行現場標定,以作為上述誤差估計方法的“點”校驗.
四、實驗測試結果
1.管道中煤氣氣流脈動狀況
根據ISO/TR3313中的要求,主要討論以下幾個基本參數:
①脈動幅值
在現有條件下,通過實驗測試和計算可以得到不同脈動工況下,差壓脈動幅值的變化范圍,如表l所不。

  從表l可以得到,外輸煤氣管道中差壓脈動的幅值均已超過ISO/TR3313中規定的脈動流動與穩定流動區別的闞值。因此,對于各種開機工況,均應作為脈動流動來考慮。
  從表2可以得到,不同脈動工況下流速的脈動諧波頻率集中在較低頻的范圍。因此可以認為,外輸煤氣管道中氣體的脈動流動屬于低頻范圍的復雜脈動流動。

2.流量示值誤差
  根據實測的差壓值,以在1個大氣壓、0℃狀態下,管道壓力為0.1MPa左右時,現場標定的壓縮機排氣量87m3/min為穩態流量值,按ISO/TR3313中公式進行計算的脈動誤差如表3所示。

如果考慮按不同的開機臺時比例計算綜合流量示值誤差為:

  根據實際開機臺時統計,假設l、2、3、4臺機的開機時間比為0.5:4:1:4.5,則其總綜合流量示值誤差為:17.5%一22.5%。
3.實際統計結果
  根據有關統計結果,現有計量儀表系統的平均煤氣計量與壓縮機累積臺時(壓縮機排氣量以90m3/min計算)相比,分別相差13.56%和13.2%一19.2%,換算到壓縮機排氣量(以87m3/min計算)時,則相差比例如表4所示。

五、結論
  通過對煤氣廠輸氣管線中脈動流動對孔板流量計計量影響的現場測試分析,可以得到,現有的流量計量誤差,主要是孔板流量計工作在脈動流狀態時,其本身的工作條件發生變化的結果。也就是說,即使儀表本身工作完全正常,在脈動流狀態下由儀表組成的測量系統同樣會產生明顯的流量示值誤差。
  通過對多脈動源、非周期、高幅值脈動流動狀態下孔板流量計示值誤差估計的研究所提出的工程實用方法,對煤氣廠外輸煤氣管道中煤氣流量計量誤差的估計,具有一定的幫助作用。

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