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煤气管道脉动流对孔板流量计的影响
发布时间:2019-01-24

摘要:对不满足规定的多脉动源形成的复杂脉动流对孔板流童计的影响进行了研究。结合实际情况提出了复杂脉动流条件下孔板流童计计童误差的估计方法,并通过对实际管道中复杂脉动流的测试和分析,得出不同脉动工况下孔板流黄计计童误差范围。
孔板流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量应用最广泛的一种流量仪表,据调查统计,孔板流量计占流量仪表用量的60%一70%。虽然它存在阻力损失大,安装时需要直管段较长等缺点,但它具有结构简单,安装方便,工作可靠,成本低,具有一定准确度以及结构已标准化,不需要单独标定等优点,能满足工程测量的需要。同时,在设计、制造和应用孔板流量计时,又有国际标准ISO5167为依据,因此在实际工程中被广泛的应用。在大口径煤气管道的测量中,也将孔板作为首选仪表。
  根据ISO5167的规定,应用标准孔板的一个很重要的前提条件之一,是管道中的介质流动为稳定流动。当孔板应用于脉动流情况下时,作为标准的ISO5167将不再适用。而且,由于脉动流动的影响,孔板流量计的流量示值会产生很大的误差。
  国际标准化组织ISO于1992年通过了技术报告仪ISO/跟TR3313《使用孔板、喷嘴或文丘利管测量管道中脉动的流体流动》图,主要是针对单脉动源形成的周期脉动流,讨论了孔板流量计测量脉动流时应遵循的一些指导原则,并指出了一定的脉动幅值范围内流量计测量示值误差的估计公式。
  在研究煤气厂外输煤气管道中的流量计量问题时,遇到的脉动气流是一种由多个脉动源形成的,脉动幅值较大的非正弦、无明显周期性且受输出端变化负载影响的复杂脉动流动。在运用孔板流量计测量这种复杂脉动气流时,如何估计其指示流量值的误差范围,这己超过厂技术规程ISO/跟TR3313中的规定。
  经过一年多的研究,笔者以ISO/跟TR3313为主要依据,在理论分析和实际测试的基础上,提出了一种复杂脉动流条件下孔板流量计示值误差估计的工程实用方法。实验结果表明,按这种方法估计的复杂脉动流动情况下的孔板流量计误差与生产部门的长期统计数据基本相符。
一、脉动流对孔板流量计影响的羞本原理
  从研究结果3[]可得,脉动流对孔板流量计示值误差的影响来自两个方面:一是对孔板流量计一次元件产生的影响,即孔板流量计在测量脉动流时所存在的原理上的误差;二是对孔板流量计信号传递及转换系统和流量计算方法所产生的影响(见图l)。
孔板流量计流量信号传递示意图
  从脉动流条件下孔板(一次元件)响应行为的研究中可以得到,在管道中的流动为一维流动的假设下,孔板对脉动流的响应可根据非稳定流动量方程和连续性方程导出比41:

式中
q(t)—管道中的被测流量信号
△P(t)—孔板两侧的差压信号
ρ—流体密度
K1、K2—系数
其物理意义为:
①在脉动流动状态下,孔板流量计的基本特性没有改变,即它的输出△P(t)与输人量q(t)之间仍然保持着均方根的关系。
②此时孔板两侧的差压信号可视为两部分组成:一部分是流体通过节流孔时迁移加速(Covnectioaccel-acecel)产生的差压,在理想情况下这部分差压与该瞬时脉动流量质量相同的流体在稳定流动时产生的差压△P(t)。相同;另一部分是由于要克服流体惯性以实现流体瞬时加速,即dq(t)/dt引起的额外差压△P(t)。所以,脉动流产生的差压为:

  因此,用孔板测量脉动流时,其差压输出值会增大(对相同的平均流量而言),并产生流量示值正误差,国外的研究及实验结果证实了这一结论。
  在满足ISO/TR3313规定的阻尼和安装条件的前提下,假定不考虑孔板流量计的二次仪表(包括差压变送器和导压管线)的误差,且脉动的瞬时差压值是采用快速响应的仪表直接在孔板处测得的,那么,对于不可压缩流体,用上述方法测得的差压值取时间平均值后,按ISO 5167给出的公式计算得到的流量值与实际的平均流量值之间将有一个正的系统误差Er,并可按下列公式估计:

可以按下列公式估计流量示值误差:

  由于脉动效应在二次装置(导压管线、差压变送器)会引起孔板流量计示值的随机不确定性,特别是在二次装置中差压的进步畸变,会导致流量计算中孔板均方根校正的失败。另一方面,孔板的流出系数在脉动流状态下的变化也会导致流最示值的附加不确定度。因此,采用孔板流量计测量脉动流时,不能直接应用ISO 5167,必须先按照ISO/TR 3313的要求进行设计,但安装要求等仍应满足ISO 5167的规定。
二、实际输送过程及测里系统
1.煤气生产传输流程简介
  某煤气厂煤气的生产和传输过程如图2所示。煤气发生炉产生的煤气,经传输管路分别输人和存储在1“、2“、3”三个储气柜中。当需要向城市煤气管网(简称外网)供气时,可根据需要,同时开启不同台数的往复式活塞压缩机,将储气柜中的煤气抽出,压缩后排人汇流管和采集管,然后分别从南、北两条直径为630n二的管线送人城市管网。
孔板流量计在煤气厂输气管线示意图
2.煤气流量计计量系统
  计量煤气流量的2台孔板流量计分别安装在南、北管线_L,与孔板配套的2台差压变送器被安装在管道一侧的仪表箱内,差压变送器的输出信号通过导线接到安装在控制室内的二次仪表。
  该煤气厂现有的煤气流量计量仪表系统,按其功能分成现场检测、信号转换和流量积算打印三个部分,图3为计量系统构成图。
  图3中,现场流量检测采用可换孔板节流装置,该装置能确保孔板在管道中的垂直度和同心度符合国家标准。信号转换部分应用K系列差压变送器。流量积算仪和打印部分采用大量程比质量流量仪,该仪表能对现场压力、温度、雷诺数进行在线补偿,其鼠程比为1:01,高于常规质量流量仪表。其采样时间为每10胖采个数,连续采8路(每路采10次)然后取平均,计算周期为5。
孔板流量计计量系统构成图
  此外,煤气的成分分析、含水量及灰尘杂质等数据的测量,由专门工作人员按规定的抽样检验时刻完成。
3.煤气输送管道中的煤气流动状况
  该煤气厂煤气输送管道中的煤气流动是一种复杂的脉动流动工况。图4、图5反映了流速的脉动状况。


  对于不同工况下的脉动流动,除厂排出流量的大小不同以外,所产生的脉动频率和脉动幅值也都有所区别。从实验分析的结果来看,随着开机台数的增加,脉动频率逐渐升高,脉动幅值逐步降低。
  通过实际测试还可以得到,在不同的季节和开机状态下,外网负载(压力)也发生变化,其变化范围为0.05~0.14MPa,变化幅值达到土50%。
  当外网负载变化时,由多脉动源形成的复杂脉动流的波形也有所变化。除了随着外网负载的变化,压缩机的开机工况不同外,在同一工.况情况卜,压缩机的工作状态也发生变化,随着外网负载压力的升高.压缩机的一工作效率降低,排气城减少,针道中流体脉动的频率和幅值也都随之发生变化.
三、煤气输送管道中脉动流动的测量
  对孔板在复杂脉动流动状态卜的响应行为进行分析时,可以得到流体运动学最基本的非稳定流的动吊-方程和连续性方程仍然成立。因此,在讨论孔板前后取压孔之间的差压信号△p(t)与被测脉动流鼠q(t)之间的关系时,做如下假设,即
①在流体流过孔板时,仍被认为是维流动;仁)在全部复杂脉动流动过程中,流体的流线形状不发生改变、根据这些假设,对于不可压缩流体,从两个基本方程出发差服信号△p(t)与被测脉动流量q(t)之间关系可以用公式表示:

由此,可以得到:
  在复杂脉动流动状态下,描述孔板的非定常流动的基本方程没有发汁改变,即它的输出量△p(t)与输入量q(t)之问仍然保持均方根关系,并同样受到脉动流状态卜,流体的瞬时惯性作川和流辰系数变化的影响。
②ISO/TR3313中所讨论的单一脉动源、周制期性脉动流的情况相比发生变化、在复杂脉动流的状况下,式(10)中的系数人,所代表的瞬时惯性的影响和K2所代农的流量系数变化的影响也就不同了。
通过以上研究.在分析煤气厂外输煤气针道中复杂脉动流测量误差范围时,主要考虑以卜两个方面:
任何周期信号均可用傅立叶分析的方法,分解成若干个周期信号之和,非周期脉动对孔板流量计输出差压信号的影响,可以看做是若干个单一频率周期脉动的作用之和(条件是基频响应远大于其它谐波分量影响)。
②利用现场存在独立的质量流量参考系,即用时间容积+密度的测量方法可以确定被压缩机抽取的煤气质量流量(稳态值),为现场计量系统提供“点”检验数据,并对其它各种因素(包括二次仪表、流量系数变化等)造成叠加误差和计算中带来的误差进行校正。
?? 根据以上描述,以ISO/TR3313为主要参考,提出一种工程实用方法来估计该孔板流量计测量复杂脉动流时所产生的附加误差。
用孔板测量差差压脉动信号的时间历程,进而确定脉动幅度。
②对差压△p(t)信号进行傅立叶分析,确定脉动信号的基频和其它各次谐波及相应的幅值。
③关于实际煤气管网变负载的影响,采取在线监测、补偿的处理方法。这样可以认为,孔板流量计的每个测量点是在相对稳定的负载条件下测量脉动流。
④取现场标定得到的不同台压缩机的平均排气量,作为不同脉动状况下管道中煤气的平均流量(即稳态流量值),进而计算得到稳定差压值△ps。
⑤运用ISO/TR3313中的误差估计公式,对孔板流量计的示值误差进行估算,得出一、二、三、四台机工作时各自对应的流量显示值误差ET。
⑥在现场的仪表测量取多次平均结果的前提下,将现场流量计二次仪表的指示值Qv(标方)与压缩机的平均输出流量值QS相比较,可以得到现场流量仪表的示值误差Ev。
⑦以现场储气柜为标准容积,采用时间一容积法对压缩机抽取气体质量流量进行现场标定,以作为上述误差估计方法的“点”校验.
四、实验测试结果
1.管道中煤气气流脉动状况
根据ISO/TR3313中的要求,主要讨论以下几个基本参数:
①脉动幅值
在现有条件下,通过实验测试和计算可以得到不同脉动工况下,差压脉动幅值的变化范围,如表l所不。

  从表l可以得到,外输煤气管道中差压脉动的幅值均已超过ISO/TR3313中规定的脉动流动与稳定流动区别的阚值。因此,对于各种开机工况,均应作为脉动流动来考虑。
  从表2可以得到,不同脉动工况下流速的脉动谐波频率集中在较低频的范围。因此可以认为,外输煤气管道中气体的脉动流动属于低频范围的复杂脉动流动。

2.流量示值误差
  根据实测的差压值,以在1个大气压、0℃状态下,管道压力为0.1MPa左右时,现场标定的压缩机排气量87m3/min为稳态流量值,按ISO/TR3313中公式进行计算的脉动误差如表3所示。

如果考虑按不同的开机台时比例计算综合流量示值误差为:

  根据实际开机台时统计,假设l、2、3、4台机的开机时间比为0.5:4:1:4.5,则其总综合流量示值误差为:17.5%一22.5%。
3.实际统计结果
  根据有关统计结果,现有计量仪表系统的平均煤气计量与压缩机累积台时(压缩机排气量以90m3/min计算)相比,分别相差13.56%和13.2%一19.2%,换算到压缩机排气量(以87m3/min计算)时,则相差比例如表4所示。

五、结论
  通过对煤气厂输气管线中脉动流动对孔板流量计计量影响的现场测试分析,可以得到,现有的流量计量误差,主要是孔板流量计工作在脉动流状态时,其本身的工作条件发生变化的结果。也就是说,即使仪表本身工作完全正常,在脉动流状态下由仪表组成的测量系统同样会产生明显的流量示值误差。
  通过对多脉动源、非周期、高幅值脉动流动状态下孔板流量计示值误差估计的研究所提出的工程实用方法,对煤气厂外输煤气管道中煤气流量计量误差的估计,具有一定的帮助作用。

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