發生爐煤氣流量計的工（gōng）作原理與溫（wēn）度壓力測點（diǎn）的設計

摘（zhāi）要：針對流量計在測（cè）量氣體和蒸汽流量時需對溫度、壓（yā）力補償的問題，根據各流量計的測量原理不同（tóng），選擇合適的測溫點和測壓（yā）點位置對測量的準確性至關重要。分析了幾（jǐ）種流量計溫度、壓力補（bǔ）償的目的（de）以及溫（wēn）度、壓力參數的（de）測量要求，提出了測溫口、測壓口開口位置的（de）合理選（xuǎn）擇（zé）。提（tí）供了利用焦耳－湯（tāng）姆遜係數計算（suàn）上下遊溫差的（de）實例。
不（bú）同原理的（de）流量計，流（liú）體溫度和壓力的變化對測量結果的影響各不相同，因此在測得流體的溫度和壓（yā）力後，要按規定（dìng）的關係式（shì）進行補償。流體在管道內流動，由於流（liú）量傳感器、各（gè）種阻流件的影響，在管道的不同部位測得的溫度（dù）和壓力值也會有很大差異，因此用作流量（liàng）測量溫度壓力補償的測量點的位置也有明確規定，不能隨意確定。
下麵以幾種典型流量計為例（lì），論述流量測量（liàng）中溫（wēn）度壓力檢（jiǎn）測點設計中（zhōng）的有關問題（tí）。
１發生（shēng）爐煤氣流量計溫度壓力測（cè）點的設計
１．１發生（shēng）爐煤氣流量計工作原理
在（zài）流體流動的管道中設置１個旋渦發生體（阻流件（jiàn）），於是在發生體下遊就會交替地產生有規則（zé）的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街（jiē），該旋渦的頻率與流過發生體的流速（sù）成正比關係。由於旋渦流量傳感器的流通截麵積（jī）是１個常數，因此旋渦的頻率與（yǔ）流過發生（shēng）體的流體體積流量（liàng）成正比，如式（１）所示：

式中：ｑＶｆ--旋渦（wō）發生體出口（kǒu）的工（gōng）況體積流量，ｍ３／ｈ；ｆ--旋渦頻（pín）率，Ｐ／ｓ；Ｋｔ--工作狀（zhuàng）態下流量（liàng）係數，１／ｍ３。
１．２溫度壓力補償（cháng）的目的
１．２．１氣體流量（liàng）測量（liàng）的溫度壓力補償（cháng）
在氣體流量測量中，測得工作狀態體積（jī）流量（liàng）不是*終目的，得到標準（zhǔn）狀態體積流量（liàng）才是*終目標。由工（gōng）作狀態體積（jī）流量到標準狀態體積流量（liàng）的換算，一（yī）般在流量演算（suàn）器中完成，其依據如式（２）：

式中：ｑＶｆ--工況條件下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｑＶｎ--標準狀態（tài）體積流（liú）量，ｍ３／ｈ；ｐｆ，ｐｎ--工作狀（zhuàng）態、標準（zhǔn）狀態流體絕對靜壓，ＭＰａ，ｐｎ＝０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ，Ｔｎ--工況條件下、標準狀態流體熱力學溫度，Ｋ，Ｔｎ＝２９３．１５Ｋ；Ｚｆ，Ｚｎ--工況條件下（xià）、標（biāo）準狀態氣體壓縮係數。
在式（２）中，Ｚｆ和Ｚｎ一般由流量演算器按（àn）設計好的程序自動（dòng）計算得到，ｑＶｆ由式（１）計算得到，而ｐｆ和Ｔｆ則必須經實測得到。
１．２．２蒸汽流量測量的溫度壓力補償
在蒸汽流量測量中，雖然也有溫度壓力補（bǔ）償（cháng），但補償（cháng）的意義與式（２）完（wán）全不同（tóng）。用發生爐煤氣流量計測量蒸汽流量的係統中，測量的目（mù）的是（shì）得到蒸汽質量流量值，如式（３）所示：

式中：ｑｍ--質量（liàng）流量，ｋｇ／ｈ；ρｆ--工況條件下的（de）旋渦發生體出口蒸汽密度，ｋｇ／ｍ３，可通過查蒸汽密度表得到。１）對於過熱蒸（zhēng）汽，可由流量演算器按式（４）自動查蒸汽密度表得到：ρｆ＝ｆ（ｐｆ，ｔｆ）（４）式中：ｔｆ--工（gōng）況條件下的蒸汽溫度，℃。
２）對於飽和蒸汽，可（kě）由流量（liàng）演算器按式（５）和式（６）自動查蒸汽（qì）密度表得到：
ρｆ＝ｆ（ｐｆ）（５）
ρｆ＝ｆ（ｔｆ）（６）
由於蒸汽的狀態隨（suí）溫度壓力參（cān）數而變化，因此有（yǒu）些蒸汽流量計安（ān）裝地點的（de）蒸汽狀態難以確定，有時處於過（guò）熱狀態，有時（shí）處於飽和狀態。白天管道（dào）內流（liú）速高，處於過（guò）熱狀態；夜間管道內流速低，進入飽和狀態。這時，應對其溫度壓力都進（jìn）行測量，由流量（liàng）演算器自動判斷，如果處於過熱狀態（tài），則儀表自動轉向根（gēn）據式（４）查過熱蒸汽密度表；如果已進入飽和區間（jiān），則儀表自動轉向按式（５）查飽和蒸汽（qì）密（mì）度表。
利（lì）用蒸汽的溫（wēn）度壓力參數自動判斷蒸汽處於過熱狀態還是（shì）飽和狀態，原理如圖１所示（shì）。關（guān）鍵是判斷蒸汽（qì）的溫度壓力值（zhí）是落在臨（lín）界飽和曲線的下方還是上方，如果落在下方，則為過熱狀態；如果落在上方，則為飽和狀態（tài）。

在這種情（qíng）況下，一般壓力測量精確度高，查表得到的密（mì）度值的（de）精確度也比較高，因此通常采用式（５）求取密度，式（６）一般不采用。
１．３溫度壓力測量點位置的選取
氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過渦街流量傳感器時（shí），都（dōu）會（huì）產（chǎn）生（shēng）一（yī）定的壓降。因此，在管道上不同位置開口測流體的絕對靜壓，得到的結果也不同。在旋渦（wō）發生體上遊處，靜壓*高；在旋渦發生體（tǐ）流速*高（gāo）處，靜壓*低，再往下（xià）遊，靜壓會（huì）有少許恢複。
旋渦發生體前後的永久性壓降（jiàng），橫河公司（sī）提供了計（jì）算公式如式（７）所示：△ｐ＝１．０８ρｆｖ２（７）式中：△ｐ--旋渦發生體前後（hòu）壓降，Ｐａ；ｖ--介質（zhì）流速，ｍ／ｓ。
以橫河公（gōng）司ＹＦ１００係列旋渦流量計為例，不同型號流量儀（yí）用於溫度壓力補償的溫度壓力測量點的安裝位置有（yǒu）不同的要求。壓力測點到旋（xuán）渦發生體的上限距離與下限距（jù）離有很大差異。從３．５Ｄ～５．５Ｄ到３．５Ｄ～７．５Ｄ，使設計人員犯難（nán），因此研究該距離對儀表（biǎo）的準確安裝有重（chóng）要意義。
仔細研究（jiū）橫河渦街產品的發展曆史，在＊ＣＤ型儀表發展階段，發生爐煤氣流量計*小通（tōng）徑隻能做到ＤＮ２５，對於ＤＮ２５渦街產品，５．５Ｄ即為１３８ｍｍ，在法蘭下遊的管道上開取（qǔ）壓口，在工程上還是可行（háng）的。但到了（le）＊Ｄ型儀表發展階段，*小通徑可達到ＤＮ１５，同樣是５．５Ｄ，但對應的尺寸（cùn）變（biàn）為８３ｍｍ，要在如此短的距離上開取壓口（kǒu），需要放寬距離以滿足工程中的需求。無論哪種情況，實（shí）際上兩（liǎng）者本質上（shàng）是一致的（de）。
２差壓流（liú）量計溫度壓力測（cè）點位置的設計
差壓式流量計的種類很多，下麵以使用*多（duō）的標準差壓式流量計（jì）為例，說明溫度壓力測點位置的設計。
２．１差（chà）壓流（liú）量計工作原理
差壓流量（liàng）計工作原理如式（８）所示：

式（shì）中（zhōng）：Ｃ--流出係（xì）數；β--直徑比，β＝ｄ／Ｄ；Ｄ--管道內徑，ｍ；ｄ--工作條件下節流件的開孔直徑，ｍ；ε１--節流件正端取壓口平麵上的可膨脹性係數；ρ１--節流件正端取壓（yā）口平麵上的流體密度，ｋｇ／ｍ３。
差壓流（liú）量計的本質是質量流量計（jì），在式（８）中，沒（méi）有出現溫度和壓力這兩（liǎng）個變量，但應用這種流量計測量氣體和蒸汽的流量時，流體溫度和壓力的變化，會使式中的密度ρ１產生變化，進而影響流量示值。
對於組分穩定的氣體，可用式（９）計算（suàn）ρ１：

式中：ｐ１--節流件正端取壓口平麵（miàn）上的流體壓力，ＭＰａ；ｐｎ--氣體標準狀態（tài）壓力，取值為０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ１--節流（liú）件正端取壓口平（píng）麵上的流體溫度，Ｋ；Ｚｆ１--工作狀（zhuàng）態下氣體壓縮（suō）係數，純數；ρｎ--標準狀態流體密度，ｋｇ／ｍ３。
對蒸汽來說，可（kě）用式（１０）由流量演算器自動查（chá）表的方法得到ρ１：
ρ１＝ｆ（ｐ１，Ｔｆ１）（１０）
毫無疑問，式（９）和式（１０）都表明，壓力取自正端取壓口，在（zài）具體實施時也比較方便，難的（de）是正（zhèng）端取壓口（kǒu）處的流體溫度的測量。
文獻［６］和文獻［７］的相關內容規（guī）定：“流體溫度*好在一次裝（zhuāng）置下遊測量，測量時（shí）需特別小（xiǎo）心。溫度計套管或插套所占空間應盡可能小，如果插套（tào）位於下（xià）遊，其與一次裝置之間的距（jù）離至少應為５Ｄ，當流體是氣體時，*大為１５Ｄ。如果套管位（wèi）於上遊，則根據（jù）一次（cì）裝置的形（xíng）式，采用規定的值”。
該（gāi）標準還規定，一般可以假設差壓口上遊和下遊的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想（xiǎng）流體，而又需（xū）要計量準確，且上遊取壓口和一（yī）次裝置下遊測溫處又存在較大的壓力損失，則假設兩點之間是（shì）等焓膨脹，必須根（gēn）據下遊溫度計算上遊溫度。對於孔板計算時，應根據下式計算壓力損失△ω。
△ω＝（１－β１．９）△ｐ   （１１）
式中：△ω--一次裝置壓力損失（shī），Ｐａ。
 然後，可以采用焦耳－湯姆遜係數μＪＴ（ＪｏｕｌｅＴｈｏｍｓｏｎＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）計算上遊取壓口到（dào）下遊測溫處的相應溫差△Ｔ：
△Ｔ＝μＪＴ△ω（１２）
在式（shì）（１１），（１２）中，式（１１）是經常（cháng）用的，使用並不難，而式（１２）使用的並不多（duō），原（yuán）因是μＪＴ求取有（yǒu）難度。
２．２μＪＴ的求取
ＩＳＯ５１６７．１-２００３的*３．３．４節定（dìng）義，焦耳－湯姆遜係數又稱等焓溫度-壓力係數，是（shì）等焓下相對於壓力的溫度變化速率：

式中：Ｔ--絕對（熱力學）溫度（dù）；ｐ--流經管道的流體靜壓；Ｈ--焓；ＲＯ--通用氣體常數；Ｃｍ，ｐ--定壓摩爾比熱容；Ｚ--壓縮係數。
３ 渦（wō）輪流量計溫度壓力測點的設計
渦輪流量計用來測量氣體流量時，也需要進行溫度壓力（lì）補償，以便將工作狀態下的體積流量換算到標準狀態體積流量。
該換算所依（yī）據的公式與式（２）相同，但是由（yóu）於（yú）測量原（yuán）理的不同，測壓點的位置有很大的差別。ＧＢ／Ｔ２１３９１-２００８《用氣體（tǐ）渦（wō）輪流量計測量天然（rán）氣流量》給出了渦輪流量計在管道上典型的安裝圖。同時在文字描述中規定，渦輪葉輪處的靜壓測壓口（kǒu）至（zhì）少要有１個，孔（kǒng）徑範圍在３～１２ｍｍ。該標準同（tóng）時（shí）規定，溫（wēn）度傳感器應安裝在葉輪的下遊端，其離葉輪的距離應小於５Ｄ，伸入管道公稱通徑約３３％處，但長度不能（néng）超過１５０ｍｍ。
４ 結束語
１）用來測（cè）量氣體和蒸汽流量的流量計，除了個別的流量（liàng）計之外，都需進行流體溫（wēn）度、壓力補償。由於流體種類的不同，補償（cháng）的目的也不盡相同；由於溫度和壓力的變化，對不同原理流量計的影響不相同，因（yīn）此（cǐ）測溫（wēn）點和（hé）測壓點位置也有不同的（de）要求，隻（zhī）有合理地確定這些位置，才有可能準確地（dì）補償。
２）發（fā）生爐煤氣流量計（jì）用於溫度壓（yā）力補償的測壓口，宜選在旋渦發生體下遊的直管段上，應盡可（kě）能靠近流量計，但（dàn）應便於施工和維（wéi）修（xiū）（不能選在旋（xuán）渦體上（shàng）遊的直管段上）。測溫口應（yīng）選在測壓口下遊１５０～２００ｍｍ處（chù）。
３）差壓流量計用於溫度壓（yā）力補償的測（cè）壓點，應（yīng）選在（zài）差壓正端取壓口處；測溫點一般選（xuǎn）在差壓裝置下遊５Ｄ～１５Ｄ處（chù），並假（jiǎ）設差壓口上遊和下遊的流體溫度（dù）是相同的。如（rú）果是非理想氣體，而又需（xū）要計量精準，且上遊（yóu）取壓口和差壓裝置下遊測（cè）溫處又存在較大的壓（yā）力損失，則可（kě）采用焦耳－湯姆遜係數計算上（shàng）遊取壓口到下遊溫口處的相應溫差△Ｔ。
４）基於絕熱膨脹等焓變化的原理，利用蒸汽性質（zhì）表，可方便地求取適用於蒸汽的焦耳－湯姆遜係數（shù）。
５）渦輪（lún）流量計用於溫度壓力補償的測壓點，宜設在渦輪葉輪前取壓口（kǒu）處；測溫口應選在葉輪下（xià）遊段，離葉輪（lún）的距（jù）離應小於５Ｄ。

上一（yī）篇：靶式煤氣流量計在（zài）冶金設備和自動化開發領（lǐng）域中應用

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