摘要：對(duì)不滿足規定的多(duō)脈動源形成的複(fú)雜脈動流對孔闆(pǎn)流童計 的影響。結(jie)合實際情況提出(chū)了複雜脈動流條(tiao)件下🈚孔闆流童計(ji)計童誤差的估計(ji)方法,并通過對實(shi)際管道中複雜脈(mo)🔱動流的測試和分(fèn)析,得出不同脈動(dong)工況下孔闆流黃(huang)計計童誤差範圍(wei)。
孔闆流量計是目(mù)前工業生産中用(yòng)來測量氣體、液體(ti)和♻️蒸🌈汽流量應用(yòng)廣泛的一種流量(liang)儀表,據調查統計(ji),孔闆流量計占流(liu)量儀表用量的60%一(yī)70%。雖然它存在阻力(li)損失大,安裝時🙇‍♀️需(xu)要直🔴管段較長等(děng)缺點,但📧它具有結(jié)構簡單,安裝方便(biàn),工作可靠,成⛱️本低(di),具有一定精度以(yi)及結構已标準化(hua),不需要單獨标定(ding)等🐅優點,能滿足工(gong)程測量的需要🌈。同(tóng)時,在設計、制造和(he)應用孔闆流量計(ji)‼️時,又有🚶‍♀️國際标準(zhun)ISO5167爲依據,因此在實(shí)際工程中被廣泛(fan)的應用。在大口徑(jìng)煤氣管道的測量(liàng)中,也将孔闆作爲(wei)首選儀表。
　　根據ISO5167的(de)規定,應用标準孔(kǒng)闆的一個很重要(yao)的前提💛條件之一(yī),是管道中的介質(zhi)流動爲穩定流動(dòng)。當孔闆應用于脈(mo)動🏃‍♀️流情況下時,作(zuo)爲标準的ISO5167将不再(zài)适用。而且,由于脈(mo)動流動的影響,孔(kǒng)闆流量計的流量(liang)示值會産生很大(dà)的誤差。
　　國際标準(zhun)化組織ISO于1992年通過(guo)了技術報告儀ISO/跟(gēn)TR3313《使用孔闆、噴嘴或(huo)文丘利管測量管(guǎn)道中脈動的流體(tǐ)流動》圖♊,主要是針(zhen)對單脈動源形成(cheng)的周期脈動流,讨(tǎo)論了孔📧闆流量計(jì)測量脈動流時應(yīng)遵循的一些指導(dao)原則,并指出了一(yi)定的脈動幅值範(fàn)圍内流量計測量(liàng)示值誤差的估計(ji)公💔式。
　　煤氣廠外輸(shu)煤氣管道中的流(liu)量計量問題時,遇(yù)到的♋脈動氣❗流是(shi)一種由多個脈動(dong)源形成的,脈動幅(fú)值較大的㊙️非正弦(xian)、無明顯周期性且(qie)受輸出端變化負(fù)載影響的複🚶雜脈(mo)動流動。在運用孔(kǒng)✊闆流量計測量這(zhè)種複雜脈動氣❌流(liu)時,如何估計其指(zhǐ)示流量值的誤差(chà)範圍,這己超過廠(chang)技術規程ISO/跟🍉TR3313中的(de)規定。
　　經過一年多(duo)的以ISO/跟TR3313爲主要依(yī)據,在理論分析的(de)基礎上🙇‍♀️,提出了一(yi)種複雜脈動流條(tiao)件下孔闆流量計(jì)示值誤差✏️估計的(de)工程實用方法。實(shí)驗結果表明,按這(zhè)種方法估計📐的複(fu)雜脈動流動情況(kuàng)🈲下的孔闆流💯量計(jì)誤差與生産部門(mén)的長期統計數據(ju)基本相符🐉。
一、脈動(dòng)流對孔闆流量計(ji)影響的羞本原理(li)
　　脈動流對孔闆流(liú)量計示值誤差的(de)影響來自兩個方(fang)面:一是對孔闆流(liú)量計一次元件産(chan)生的影響,即孔闆(pǎn)流量💃🏻計在測量脈(mo)動流時所存在的(de)原理上的誤差;二(er)是對孔闆流量♈計(jì)信号傳遞及轉換(huàn)系統和流量計算(suan)☂️方法所産生的影(ying)響♊(見圖l)。

　　從脈動流(liú)條件下孔闆(一次(ci)元件)響應行爲的(de)研究中可以得到(dào),在管道中的流動(dòng)爲一維流動的假(jiǎ)設下,孔闆對🌈脈動(dòng)流的響應可根據(ju)非穩定流動量方(fang)程和連續性方程(chéng)導出比41:

式中
q(t)—管道(dao)中的被測流量信(xìn)号
△P(t)—孔闆兩側的差(cha)壓信号
ρ—流體密度(du)
K1、K2—系數
其物理意義(yi)爲：
①在脈動流動狀(zhuang)态下,孔闆流量計(jì)的基本特性沒有(yǒu)改✨變,即它的🏃‍♀️輸出(chu)△P(t)與輸人量q(t)之間仍(réng)然保持着均方根(gēn)的關系。
②此時孔闆(pǎn)兩側的差壓信号(hao)可視爲兩部分組(zu)成:一😄部分是🏃‍♀️流體(tǐ)🏃通過節流孔時遷(qian)移加速(Covnectioaccel-acecel)産生的差(cha)壓,在理想情況下(xià)這部🏒分差壓與該(gāi)瞬時脈動流量質(zhi)🏃🏻‍♂️量相同👌的流體在(zai)穩定流動時産生(sheng)的差壓△P(t)。相同;另🈲一(yi)部分是由于要克(kè)服流體慣性以實(shi)現流體瞬時加速(sù),即dq(t)/dt引起的額外差(cha)壓△P(t)。所以,脈動流産(chan)生的差壓爲:

　　因此(cǐ),用孔闆測量脈動(dòng)流時,其差壓輸出(chu)值會增大☂️(對相同(tong)的✔️平均流量而言(yán)),并産生流量示值(zhí)正誤差🔆,國外的研(yán)🔞究及實驗結果證(zhèng)實了這一結論。
　　在(zai)滿足ISO/TR3313規定的阻尼(ní)和安裝條件的前(qián)提下,假定不考♍慮(lǜ)孔闆流💚量計的二(er)次儀表(包括 差壓(ya)變送器 和導壓管(guǎn)線)的誤差,且脈動(dong)的瞬時差壓值是(shi)采用快速響應的(de)儀表直接在孔闆(pǎn)處測得的,那麽,對(dui)于🔞不可🔱壓縮流體(ti),用上🧑🏾‍🤝‍🧑🏼述方法測得(dé)的差壓值取時間(jian)平均值後,按ISO 5167給🐕出(chū)的公式計算🙇🏻得到(dao)的流量值與實際(ji)的平均流量值之(zhi)間将有一個正的(de)系統誤差Er,并可按(an)下列公式估計：

可(kě)以按下列公式估(gū)計流量示值誤差(chà):

　　由于脈動效應在(zài)二次裝置(導壓管(guǎn)線、差壓變送器)會(huì)🏃‍♂️引起🐉孔闆✨流量計(ji)示值的随機不确(que)定性,特别是在二(èr)次裝🌂置中差壓的(de)進步畸變,會導緻(zhì)流量計算中孔闆(pǎn)🈲均方根校正的🛀失(shī)敗。另一方面,孔闆(pǎn)的流出系數在脈(mo)🎯動流狀态下的變(biàn)化也會導緻流最(zuì)示值的附加不确(que)🐇定度。因此,采用孔(kong)闆流量📐計測量脈(mò)動流時,不能直接(jie)應用ISO 5167,必須先按照(zhào)ISO/TR 3313的要求進行設計(ji),但安裝要求等仍(reng)應滿足ISO 5167的規定。
二(èr)、實際輸送過程及(ji)測裏系統
1.煤氣生(sheng)産傳輸流程簡介(jiè)
　　某煤氣廠煤氣的(de)生産和傳輸過程(cheng)如圖2所示。煤氣發(fā)生爐産生的煤氣(qi),經傳輸管路分别(bié)輸人和存儲在1“、2“、3”三(sān)個儲氣櫃中。當需(xū)要向城市煤氣管(guǎn)網(簡稱外網)供氣(qì)時,可根據需要,同(tong)時開👉啓不同台數(shù)的往複⛱️式活塞壓(ya)縮機,将儲氣櫃中(zhong)的煤氣抽出,壓縮(suo)後排人彙流管和(he)采集管,然後分别(bié)從南、北兩條直徑(jing)爲🆚630n二的管線送人(ren)城市管網。

2.煤(méi)氣流量計計量系(xi)統
　　計量煤氣流量(liang)的2台孔闆流量計(jì)分别安裝在南、北(bei)管線_L,與孔闆配套(tao)的2台差壓變送器(qì)被安裝在管道一(yi)側的儀表箱🐆内,差(cha)壓變送器的輸出(chū)信号通過導線接(jiē)到安裝在控制室(shì)内的二🏃🏻‍♂️次儀表。
　　該(gai)煤氣廠現有的 煤(méi)氣流量計 量儀表(biǎo)系統,按其功能分(fen)成現場檢測、信号(hao)轉換和流量積算(suan)打印三個部分,圖(tu)3爲計量系統構成(chéng)圖。
　　圖3中,現場流量(liàng)檢測采用可換孔(kǒng)闆節流裝置,該裝(zhuāng)置能确💰保孔💛闆在(zài)管道中的垂直度(du)和同心度符合🎯國(guo)家标準。信号轉換(huàn)部分㊙️應用K系列差(cha)壓變送器。 流量積(jī)算儀 和打印部分(fèn)采用大量程比質(zhì)量流量儀,該儀表(biao)能對現場壓力🈲、溫(wēn)度、雷諾數進行在(zai)線補償,其鼠程比(bi)✊爲1:01,高于常規質量(liàng)流量儀表。其采樣(yàng)時間爲每10胖采個(gè)數,連🤟續采8路(每路(lu)采🍓10次)然後🔴取平均(jun1),計算周期爲5。

　　此外,煤氣(qì)的成分分析、含水(shui)量及灰塵雜質等(děng)數據的測量,由專(zhuān)門工作人員按規(gui)定的抽樣檢驗時(shi)刻完成。
3.煤氣輸送(sòng)管道中的煤氣流(liú)動狀況
　　該煤氣廠(chǎng)煤氣輸送管道中(zhong)的煤氣流動是一(yi)種複雜的脈動🈲流(liú)動工況。圖4、圖5反映(yìng)了流速的脈動狀(zhuang)況。


　　對于不同工況(kuang)下的脈動流動,除(chu)廠排出流量的大(dà)小不同以外,所産(chǎn)生的脈動頻率和(hé)脈動幅值也都有(yǒu)所區别。從實驗分(fen)析的結果來看,随(suí)着開機台數的增(zeng)加,脈動頻率逐漸(jiàn)🤟升高,脈動幅值逐(zhu)步降低。
　　通過實際(jì)測試還可以得到(dào),在不同的季節和(hé)開機狀态下,外💋網(wǎng)負載(壓力)也發生(sheng)變化,其變化範圍(wei)爲0.05~0.14MPa,變化幅值達到(dào)土50%。
　　當外網負載變(bian)化時,由多脈動源(yuan)形成的複雜脈動(dòng)💜流的✏️波形也有所(suo)變化。除了随着外(wài)網負載的變化,壓(ya)縮機的開機☀️工況(kuang)不同外,在同一工(gong).況情況蔔,壓縮機(ji)的工作狀态也發(fa)生變化,随着外網(wang)負載壓力的升高(gāo).壓縮機的一工作(zuo)效率降低,排氣城(chéng)減少,針道中流體(tǐ)脈👄動的頻率和幅(fú)值也都随之發生(sheng)變化.
三、煤氣輸送(song)管道中脈動流動(dong)的測量
　　對孔闆在(zai)複雜脈動流動狀(zhuang)态蔔的響應行爲(wei)進行分🈲析時,可以(yǐ)得到流體運動學(xue)最基本的非穩定(dìng)流的動吊-方程和(he)連續性方程仍然(rán)成立。因此,在讨論(lun)孔闆前後取壓孔(kǒng)之間的差壓🛀🏻信号(hào)△p(t)與🐕被測脈動流鼠(shǔ)q(t)之間的⚽關系時,做(zuo)如下假設,即
①在流(liu)體流過孔闆時,仍(reng)被認爲是維流動(dòng);仁)在全部複雜🐆脈(mò)動🐅流動過程中,流(liú)體的流線形狀不(bu)發生改變、根據這(zhe)些假設,對🈲于不可(ke)壓縮流體,從兩個(gè)基本方程出👉發差(chà)服✌️信号△p(t)與被測脈(mo)動流量q(t)之間關系(xi)可以用公式🌈表示(shì):

由此，可以得到：
　　在(zai)複雜脈動流動狀(zhuang)态下,描述孔闆的(de)非定常流動的基(ji)本🌂方程❗沒有發汁(zhī)改變,即它的輸出(chu)量△p(t)與輸入量q(t)之問(wen)仍然保持均方根(gēn)❤️關系,并同樣受到(dao)脈動流狀态蔔,流(liu)體的瞬時慣❓性作(zuo)川和流辰系數變(bian)化的影響。
②ISO/TR3313中所讨(tao)論的單一脈動源(yuan)、周制期性脈動流(liú)的情況相比發生(sheng)變❄️化、在複雜脈動(dong)流的狀況下,式(10)中(zhōng)的系數人,所代表(biao)的瞬時慣性的影(yǐng)響和K2所代農的流(liu)量系數變‼️化的影(ying)響也就不同了。
.在(zài)分析煤氣廠外輸(shū)煤氣針道中複雜(za)脈動流測量誤㊙️差(cha)範🌈圍時,主要考慮(lǜ)以蔔兩個方面:
任(rèn)何周期信号均可(kě)用傅立葉分析的(de)方法，分解成✌️若🔴幹(gàn)個周期信号之和(he)，非周期脈動對孔(kǒng)闆流量計輸出差(cha)壓信号的影響，可(ke)以看做是若幹個(ge)單一頻率周期脈(mò)動的🥵作用之和（條(tiáo)件❤️是基頻響應遠(yuǎn)大于其它諧波分(fen)量影響）。
②利用現場(chang)存在獨立的質量(liàng)流量參考系，即用(yong)時間容積+密度的(de)測量方法可以确(què)定被壓縮機抽取(qǔ)的煤氣質量流量(liang)（穩态值），爲現場計(jì)量系統提供“點”檢(jian)驗數據，并對其⛱️它(ta)各種因素（包括二(èr)次儀表、流量系🐇數(shu)變化等）造成疊加(jia)誤差和計算中帶(dài)來🔱的誤差進行校(xiao)正。
　　根據以上描述(shu)，以ISO/TR3313爲主要參考，提(ti)出一種工程實用(yong)☎️方法來估計該孔(kong)闆流量計測量複(fu)雜脈動流時所❌産(chan)生的附加誤⛹🏻‍♀️差。
用(yong)孔闆測量差差壓(yā)脈動信号的時間(jiān)曆程，進而确定脈(mo)動幅度。
②對差壓△p(t)信(xìn)号進行傅立葉分(fen)析,确定脈動信号(hao)的基頻和其它各(ge)次諧波及相應的(de)幅值。
③關于實際煤(mei)氣管網變負載的(de)影響,采取在線監(jian)測✨、補償🏃🏻‍♂️的處理方(fang)法。這樣可以認爲(wei),孔闆流量計的每(mei)⭕個測量點是在⚽相(xiang)對穩定💋的負載條(tiao)件下測量脈動流(liu)。
④取現場标定得到(dao)的不同台壓縮機(jī)的平均排氣量,作(zuo)🌈爲不♋同脈動狀況(kuàng)下管道中煤氣的(de)平均流量(即穩态(tài)🏃🏻流量🌍值),進🐆而計算(suan)得到穩定差壓值(zhí)△ps。
⑤運用ISO/TR3313中的誤差估(gu)計公式,對孔闆流(liú)量計的示值誤差(chà)進行估算,得出一(yī)、二、三、四台機工作(zuò)時各自對應的流(liu)量顯☎️示值🚩誤差ET。
⑥在(zai)現場的儀表測量(liàng)取多次平均結果(guo)的前提下,将現場(chang)♋流量計💛二次儀表(biǎo)的指示值Qv(标方)與(yu)壓縮機的平均輸(shu)出流量值QS相🐉比較(jiào),可以得到現場流(liú)量儀表的示值誤(wu)差Ev。
⑦以現場儲氣櫃(gui)爲标準容積,采用(yong)時間一容積法對(dui)壓🏃‍♂️縮‼️機🏃抽取🚶氣體(ti)質量流量進行現(xian)場标定,以作爲上(shàng)述誤差☁️估計方法(fǎ)的“點”校驗.
四、實驗(yan)測試結果
1.管道中(zhōng)煤氣氣流脈動狀(zhuang)況
根據ISO/TR3313中的要求(qiú),主要讨論以下幾(jǐ)個基本參數:
①脈動(dòng)幅值
在現有條件(jian)下,通過實驗測試(shì)和計算可以得到(dào)不同脈動工況下(xia),差壓脈動幅值的(de)變化範圍,如表l所(suǒ)不。

　　從表l可以得到(dào),外輸煤氣管道中(zhōng)差壓脈動的幅值(zhi)均已超過ISO/TR3313中規定(dìng)的脈動流動與穩(wen)定流動區别的阚(kan)值。因此,對于👌各種(zhǒng)開機工況,均應作(zuò)爲脈動流動來考(kǎo)慮。
　　從表2可以得到(dao),不同脈動工況下(xià)流速的脈動諧波(bo)頻率集中在較低(dī)頻的範圍。因此可(ke)以認爲,外輸煤氣(qì)管道中氣體🌈的脈(mò)動流動屬于低頻(pín)範圍的複雜脈動(dòng)流動。

2.流量示值誤(wu)差
　　根據實測的差(cha)壓值,以在1個大氣(qi)壓、0℃狀态下,管道壓(ya)力爲0.1MPa左♊右時,現場(chǎng)标定的壓縮機排(pái)氣量87m3/min爲穩态流量(liang)值,按ISO/TR3313中♈公式進行(hang)⛱️計算⛷️的脈動誤差(chà)如表3所示。

如果考(kao)慮按不同的開機(ji)台時比例計算綜(zong)合流量㊙️示值誤差(cha)🍓爲✨:

　　根據實際開機(ji)台時統計,假設l、2、3、4台(tai)機的開機時間比(bǐ)爲0.5:4:1:4.5,則其總綜👌合流(liu)量示值誤差爲:17.5%一(yī)22.5%。
3.實際統計結果
　　根(gen)據有關統計結果(guo),現有計量儀表系(xi)統的平均煤氣計(ji)量與壓縮機累積(jī)台時(壓縮機排氣(qì)量以90m3/min計算)相比,分(fèn)别相差13.56%和13.2%一19.2%,換算(suàn)到壓縮機排氣量(liàng)(以87m3/min計算)時,則相差(cha)比例如表4所示。

五(wu)、結論
　　通過對煤氣(qi)廠輸氣管線中脈(mò)動流動對孔闆流(liú)量計計量影響的(de)現場測試分析,可(ke)以得到,現有的流(liu)量計🥵量誤🈲差,主要(yào)是孔闆流量計工(gōng)作在脈動流狀态(tai)時,其本身的工作(zuò)條件發生變化的(de)結果。也就是說,即(jí)使儀表本身工作(zuo)完全正常,在脈動(dòng)流狀态下❄️由儀表(biǎo)組成的測量系統(tǒng)同樣會産生明顯(xian)的流量✏️示值誤差(cha)。
　　通過對多脈動源(yuán)、非周期、高幅值脈(mo)動流動狀态下🛀孔(kong)🈲闆💛流量💋計示值誤(wu)差估計的研究所(suo)提出的工程實用(yong)🏃🏻‍♂️方法,對煤氣廠🌈外(wai)輸煤氣管道中煤(mei)氣流量計量誤差(chà)♈的估計,具有一定(ding)的幫助作用🏃‍♀️。

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