課程設計---標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)（檢測部分）設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目：標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)設計</p><p><b>　　學生姓名：XX </b></p><p>　　學 院：XXXX</p><p>　　班 級：自動化XX-X班</p><p&

2、gt;<b>　　指導教師：XXX</b></p><p>　　2012 年 12 月 26 日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　測量可壓縮流體流量領域，我國有著相對較高的技術規(guī)格。標準節(jié)流裝置

3、是我國根據(jù)《流量測量節(jié)流裝置檢定規(guī)程》進行設計、制造、安裝和使用，我國的標準（GB/T 2624.1-2006）和國際標準（ISO R541）基本一致。節(jié)流件的形式有很多，有孔板、噴嘴、文丘里管、1/4圓噴嘴等。目前用得最廣泛的節(jié)流件是孔板和噴嘴，這兩種形式的節(jié)流件的外形、尺寸已標準化，并同時規(guī)定了它們的取壓方式和前后直管段要求，稱為標準節(jié)流裝置。通過大量試驗求得了這類標準節(jié)流裝置流量與差壓的關系，以流量測量節(jié)流裝置國家標準的形式公布。

4、凡是符合國家標準的節(jié)流裝置，其流量和差壓之間的關系及測量誤差可按國家標準直接計算得出。</p><p>　　關鍵詞：流體流量；節(jié)流裝置；標準；誤差 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 節(jié)流式流量測量原理及系統(tǒng)總體設計2</p><p>　　1.1 節(jié)流件測量原理2</p>

5、;<p>　　1.2 系統(tǒng)總體設計2</p><p>　　第二章 標準節(jié)流件差壓計及取壓裝置3</p><p>　　2.1 標準節(jié)流件3</p><p><b>　　2.2 差壓計4</b></p><p>　　2.3 取壓裝置5</p><p>　　第三章 關鍵參數(shù)計算及

6、檢驗計算6</p><p><b>　　3.1已知條件6</b></p><p>　　3.2 準備計算6</p><p>　　3.2.1 求介質密度、介質動力粘度及管道材料膨脹系數(shù)6</p><p><b>　　3.2.2計算6</b></p><p>　　3.2.

7、3 計算正常流量和最小流量下的雷諾數(shù)7</p><p>　　3.2.4 確定差壓計類型及量程范圍7</p><p>　　3.3確定值及節(jié)流件開孔直徑7</p><p>　　3.3.1常用流量下的差壓值7</p><p>　　3.3.2迭代計算β值和d值7</p><p>　　3.3.3 迭代計算7</

8、p><p>　　3.4 確定壓損9</p><p>　　3.5確定節(jié)流件的開孔直徑9</p><p>　　3.6 確定直管段長度對管道粗糙度的要求9</p><p>　　3.7 標準節(jié)流裝置流量結果不確定度9</p><p>　　第四章 系統(tǒng)的安裝及使用說明.11</p><p>　　4.

9、1流量裝置和差壓計的安裝連接系統(tǒng)11</p><p>　　4.2 元件的安裝11</p><p>　　4.3 使用說明11</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　我國在1978年以后，電力工業(yè)得到了黨和政府的高度重視，得到了前所未有的發(fā)展。隨著現(xiàn)代熱力發(fā)電廠機組的日益向大容量、高參數(shù)發(fā)展和自

10、動化水平的日益提高，對熱工測量的準確性、可靠性等要求也越來越高，測點數(shù)量越來越多，新原理、新材料和新結構的熱工儀表出現(xiàn)并被廣泛使用。</p><p>　　標準節(jié)流裝置流量測量系統(tǒng)是在大量試驗基礎上總結出來的，遵循熱工測量原理，參考了國內外測量技術的新方法和新技術。該裝置一經(jīng)加工完畢便可以直接投產(chǎn)，無須實際標定。這種測量方法經(jīng)過長期的研究和使用，數(shù)據(jù)，資料比較齊全，對幾種常用的節(jié)流方式，各國已制定了標準規(guī)定，根據(jù)規(guī)

11、定的條件和計算方法設計出的節(jié)流裝置可直接投入使用。在工業(yè)生產(chǎn)中，不論是生產(chǎn)過程控制還是成本核算，通常需要準確地知道流體的流量，因此需要有能直接測定流體流量的節(jié)流變壓流量計。在被測參數(shù)密度變化的情況下無法得到準確的流量數(shù)值。同時保證測量誤差在合理的范圍內，和國際標準基本一致。</p><p>　　第一章 節(jié)流式流量測量原理及系統(tǒng)總體設計</p><p>　　1.1 節(jié)流件測量原理</p

12、><p>　　在管道內裝入節(jié)流件，流體流過節(jié)流件時流束收縮，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓，對于一定形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測壓位置和前后直管道情況，一定參數(shù)的流體，和其他條件下，節(jié)流件前后產(chǎn)生的差壓值隨流量而變，并且兩者之間有確定的關系。因此可通過測量差壓來測量流量。</p><p>　　標準節(jié)流裝置只適用于測量圓形截面管道中的單相、均質流體的流量，并要求流體充滿管道；在節(jié)流件前后一定距離內不發(fā)

13、生相變或析出雜質；流速小于音速，流動屬于非脈動流；流體在流過節(jié)流件前，流束與管道軸線平行，不得有旋轉流。</p><p>　　1.2 系統(tǒng)總體設計</p><p>　　溫度、壓力補償式質量流量計的基本原理是，測量流體的體積流量、溫度和壓力值，根據(jù)已知的被測流體密度與溫度、壓力之間的關系，通過運算，把測得的體積流量數(shù)值自動換算到標準狀態(tài)下的體積流量數(shù)值。由于被側流體種類一定后，其標準狀態(tài)下的

14、密度ρ0是定值，所以標準狀態(tài)下的體積流量就代表了流體的質量流量值。連續(xù)測量溫度、壓力比連續(xù)測量密度容易。因此工業(yè)上所用的質量流量計多采用這種原理。</p><p>　　節(jié)流式流量計主要由節(jié)流件，差壓計組成，通過節(jié)流件產(chǎn)生差壓，再由差壓計測得流量，系統(tǒng)的總體設計圖見圖1-1</p><p>　　圖 1-1 總體設計圖</p><p>　　第二章 標準節(jié)流件差壓計及取壓

15、裝置</p><p><b>　　2.1 標準節(jié)流件</b></p><p>　　節(jié)流件的形式很多：有孔板、噴嘴、文丘利管、1/4圓噴嘴等。用得最廣泛的節(jié)流件是孔板和噴嘴，這兩種形式的節(jié)流件的外形、尺寸已標準化，并同時規(guī)定了它們的取壓方式和前后直管段要求，總稱為“標準節(jié)流裝置”，通過大量試驗求得了這類標準節(jié)流裝置的流量與差壓的關系，以“流量測量節(jié)流裝置國家標準”的形式

16、公布。</p><p>　　標準節(jié)流裝置只適用于測量圓形截面管道中的單相、均質流體的流量，并要求流體充滿管道；在節(jié)流件前后一定距離內不發(fā)生相變或析出雜質；流速小于音速，流動屬于非脈動流；流體在流過節(jié)流件前，流束與管道軸線平行，不得有旋轉流。</p><p>　　如圖2—1所示，標準節(jié)流裝置包括：節(jié)流件、取壓裝置、節(jié)流件上游側第一個阻力件、第二個阻力件，下游側第一個阻力件以及在它們之間的直管

17、段：</p><p><b>　　L</b></p><p>　　L0 2 L1 L2</p><p>　　圖2-1 整套節(jié)流裝置示意</p><p>　　1—上游側第二個局部阻力件；</p><p>　　2—上游側第一個局部阻力件；</p>&

18、lt;p><b>　　3—節(jié)流件；</b></p><p>　　4—下游側第一個局部阻力件</p><p>　　關于標準節(jié)流件的形式，目前國標規(guī)定如下：標準孔板和標準噴嘴。國際上還有一些其他的已標準化了的節(jié)流件，如徑距取壓（即D和0.5D取壓，D為管道內徑）標準孔板，徑距取壓長徑噴嘴（亦稱ASME噴嘴），古典文丘利管和文丘利噴嘴等。</p><

19、;p>　　標準孔板制造安裝的要求如下：</p><p>　?。?）標準孔板的開孔直徑d是一個重要的尺寸，應實際測量。測量在上游段進行，最好是在四個大致相等的角度上測量直徑，求其平均值。要求各個單測值與平均值之差在0.05%范圍內；</p><p>　?。?）標準孔板的全稱是“同心薄壁銳緣孔板”，因此孔板進口圓筒形部分應與管道同心安裝；</p><p>　?。?

20、）孔板進口邊緣應是嚴格直角，不能有毛刺和可見的反光，即進口邊緣應很尖銳，邊緣半徑不大于0.0004d。所謂薄壁是指孔板厚度E和圓筒形厚度e不能過大。</p><p>　　標準孔板制造安裝的其他要求是：</p><p>　　1)在各處測得的E值之間的最大差值和各處測得的e值之間的最大差值均不得超過0.001D；</p><p>　　2)孔板必須與管道軸線垂直安裝，其偏

21、差不超過±1度；</p><p>　　3)若E≤0.02D，則可以不做成度的圓錐形出口，這樣的孔板適用于測量雙向流動的流體，但這時要求下游端面的標粗糙度和邊緣尖銳度必須與上游端面的相同；</p><p>　　4)孔板加工過程中，不得使用刮刀和砂布進行修刮和打磨。標準孔板的適用范圍如表2—1所示：</p><p>　　表2—1 標準孔板適用范圍</p&

22、gt;<p><b>　　2.2 差壓計</b></p><p>　　差壓計類型類型根據(jù)投資費用和準確度要求選取，本設計選用準確度等級為0.5的電容式差壓變送器。選擇差壓計量程的原則是,在保證壓損不超過允許壓損ωy的條件下，選用較大的差壓計量程上限，從而使β值較小，并盡可能使β在0.5-0.6圍內為好。這是由于β值愈小，用要求直管段愈短；β較小時在較低的雷諾數(shù)下C值就趨于穩(wěn)定不

23、變；β較小時對管道粗糙度要求較低；β小于006時C值誤差較小等。但β過小，除會造成過大的壓力損失外，還會使d值過小而加工不變。對于標準孔板，過小的d值使孔板入口邊緣的尖銳度要求難于保證，從而引起較大的測量誤差。特別應注意，對于可壓縮性流體，應使p/p1<0.25。對于壓力損失有嚴格限制的情況，可先按允許壓力損失Δωy來估算壓力計量程上限，計算結束時再 驗算壓力損失是否超過。如超過，則降低差壓計上限重算。對于孔板，可用式估計。<

24、;/p><p>　　本設計差壓計量程上限按下式計算：</p><p>　　=2.5Δωy=2.5×150×9.806=3677.25Pa （2-1）</p><p>　　根據(jù)參考文獻,附錄表Ⅱ—13，可選用1151DP電容式差壓變送器，其量程范圍（12.5—152）×9.81Pa，耐靜壓力為0.7MPa。變送器量程調整在0

25、—25×103Pa，流量指示儀表的刻度上限為12.5t/h,本例最大，流量為10.5t/h，驗算/P=25×103/1.019×105=0.0620.5符合規(guī)定。</p><p><b>　　2.3 取壓裝置</b></p><p>　　標準節(jié)流件的形式和取壓方式，目前國際規(guī)定如下：</p><p>　　標準孔板：

26、角接取壓、法蘭取壓；標準噴嘴（亦稱ISA1932噴嘴）；角接取壓</p><p>　　取壓裝置的類型有角接取壓和法蘭取壓，本次試驗所用的是角接取壓。角接取壓裝置有環(huán)室取壓和單獨孔取壓兩種。</p><p>　　環(huán)室取壓的前、后環(huán)室裝在節(jié)流件兩邊，環(huán)室夾在法蘭之間，法蘭和環(huán)室、環(huán)室和節(jié)流件之間放有墊片并加緊。節(jié)流件前后的壓力是從前、后環(huán)室和節(jié)流件前、后端面之間所形成的連續(xù)環(huán)隙上取得的，為整個

27、圓周上的平均值。</p><p>　　單獨鉆孔取壓可以鉆在法蘭上，也可以鉆在法蘭之間的夾緊環(huán)上。取壓孔在夾緊環(huán)內壁的出口邊緣必須與夾緊環(huán)內壁平齊，并有不大于取壓孔直徑1/10的倒角，無可見的毛刺和突出部分。取壓孔應為圓筒形，其軸線應盡可能與管道軸線垂直。</p><p>　　第三章 關鍵參數(shù)計算及檢驗計算</p><p><b>　　3.1已知條件<

28、/b></p><p>　　1．被測介質：空氣；</p><p>　　2．流量測量范圍：qmax=9450/h、qch =7000/h、qmin=4000/h；</p><p>　　3．介質參數(shù)：p=370mmH2O(表壓)，t=60℃，地區(qū)平均壓力：759mmHg；</p><p>　　4．允許壓損：δp≤150 mmH2O；<

29、/p><p>　　5．管道內徑：D20=300mm；</p><p>　　6．管道材料：20號鋼；管道情況如圖所示：</p><p>　　7．節(jié)流件型式：角接取壓標準孔板；節(jié)流件材料：1Cr18Ni9Ti；</p><p>　　8．管道情況：如圖3.1所示</p><p>　　圖3.1 管道情況圖</p>&

30、lt;p><b>　　3.2 準備計算</b></p><p>　　3.2.1 求介質密度、介質動力粘度及管道材料膨脹系數(shù)</p><p>　　介質的壓力P1:P=370mm (表壓)= =3628.22Pa </p><p>　　地區(qū)的平均壓力 =759mmHg==10122.15Pa</p><p><b

31、>　　所以</b></p><p>　　P1=（）=3628.22+10122.15=104849.72Pa （3-1）</p><p>　　根據(jù)管道材料20號鋼和介質溫度 ℃，可以從附錄中查的管道材料線膨脹系數(shù)℃,已知介質粘度η=Pa.s k=1.4</p><p><b>　　3.2.2計算</b>

32、</p><p>　　mm (3-2)</p><p>　　3.2.3 計算正常流量和最小流量下的雷諾數(shù)</p><p>　　根據(jù)題目要求進行單位換算：空氣在60℃時的密度為： </p><p><b>　　(3-3)</b></p&g

33、t;<p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　由上式可得，在最小流量下的雷諾數(shù)已超過標準孔板雷諾數(shù)適用范圍的下限。根據(jù)、確定形式為標準孔板，符合標準孔板適用范圍見表2-1。 </p><p>　　3.2.4 確定差壓計類型及量程范圍</p><p>　　因為,差壓計量程上限ΔPmax按下式計算：</p>

34、;<p>　　ΔPmax＝2.5δ=2.5×1470.9=3677.25Pa 參考附錄,可選用1151DP電容式差壓變送器，其量程為（127～762）×9.81Pa，耐壓靜壓力為14MPa,選擇精度等級為0.2，最大流量為10017kg/h，所以流量上限為定為12.5t/h</p><p>　　驗算ΔPmax/pz=3677.25/104849.72=0.035<0.2符合

35、規(guī)定。</p><p>　　3.3確定值及節(jié)流件開孔直徑</p><p>　　3.3.1常用流量下的差壓值</p><p>　　因為 （3-5）</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　3.3.2迭代計算

36、β值和d值</p><p>　　β＝ （3-6） </p><p>　　dt= （3-7）</p><p>　　3.3.3 迭代計算</p><p><b&

37、gt;　　計算A值：</b></p><p>　　A= （3-8） </p><p>　　由上式可求得 A0.55585</p><p>　　（1）第一步 設初始值則有</p><p><b>

38、　　（3-9）</b></p><p>　　則 （3-10）</p><p>　　根據(jù)，計算，因為對于交接取壓，由此為：</p><p><b>　　（3-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　(2)

39、第二步 計算 </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　根據(jù)，計算.</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　=0.57743</b><

40、;/p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　(3) 第三步 計算 （3-16） </p><p><b>　　根據(jù)，計算.</b></p><p>

41、<b>　　=0.57761</b></p><p><b>　　=0.99489</b></p><p>　　（4）第四步 計算 （3-17）</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　= 0.57764 </p>

42、;<p>　?。?-19） </p><p>　　精密度判據(jù)為： (3-20)</p><p>　　＝4.16×10-5<5×10-5</p><p>　　迭代結束后得: C=0.57764 </p><p><b>　　3.4 確

43、定壓損</b></p><p><b>　　（3-21）</b></p><p>　　=387.71≤δp=1420 驗算合格</p><p>　　3.5確定節(jié)流件的開孔直徑</p><p>　　選用1Cr18Ni9Ti不銹鋼為標準孔板,從附錄表Ⅱ-3[1]中查得=</p><p>　

44、　故=250.09mm (3-22)</p><p>　　3.6 確定直管段長度對管道粗糙度的要求</p><p>　　按β=0.83381選β=0.8規(guī)定上游側第一阻李件為90o彎頭,上游側第二阻力件為全開閘閥,下游側阻力件為兩個90o彎頭,從表10-2[1]中查得:</p><p>　　標準孔板對管道相對粗糙度的限值可以從表10-4

45、[1]中查得:對于β=0.8管道相對粗糙度的限值為所以要求節(jié)流件10D以內管道的絕對粗糙度為Ks:</p><p>　　新無縫鋼管的絕對粗糙度Ks=0.05～1mm,選擇內壁光滑的無縫鋼管即能符合粗糙度的要求。</p><p>　　3.7 標準節(jié)流裝置流量結果不確定度</p><p><b>　　取計算：</b></p><

46、p>　　流出系數(shù)和流束膨脹系數(shù)的不確定度</p><p>　　% =0.834% (3-23)</p><p>　　%=0.049% (3-24)</p><p>　　節(jié)流件孔徑的不確定度：</p><p>　　%

47、 (3-25) </p><p><b>　　管徑的不確定度：</b></p><p>　　% （3-25）</p><p>　　差壓測量值的不確定度：</p><p>　　% =0.378％

48、 （3-26）</p><p><b>　　密度值的不確定度：</b></p><p><b>　　根據(jù)表查得：</b></p><p><b>　　%</b></p><p>　　選擇變壓器等級為0.2級，指示儀表為0.5級，因此：</p><p&g

49、t;<b>　　≈±2.31%</b></p><p>　　第四章 系統(tǒng)的安裝及使用說明</p><p>　　4.1流量裝置和差壓計的安裝連接系統(tǒng)</p><p><b>　　4.2 元件的安裝</b></p><p>　　節(jié)流件的安裝，如圖4-1所示</p><p&g

50、t;<b>　　4-1 管路簡圖</b></p><p><b>　　4.3 使用說明</b></p><p>　　使用前，應關閉差壓計上兩道壓閥的情況下，對導壓管進行吹洗，以免管道中銹污和雜物進入差壓計。使用時，首先緩慢的打開節(jié)流裝置上的兩個導壓閥，使被測氣體充滿導壓管。然后打開平衡閥，并微微打開差壓計上的正壓導壓閥，使測量室逐漸充滿被測氣體，

51、同時將差壓計內的液體從排液針排掉。最后，關上差壓計的平衡閥，并打開差壓計上的負壓導壓閥，儀表即投入正常工作。</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　結論</b></p><p>　　通過學習熱工測量及儀表，我們對氣體流量的測量方法有了一些初步的了解但那些都是一些理論的東西。通過這次標準節(jié)流裝

52、置流量測量系統(tǒng)設計，我們才把學到的東西與實踐相結合，真正達到理論與實踐相結合的目的，從中對我們學的知識有了更進一步的理解。 </p><p>　　標準節(jié)流裝置流量的測量系統(tǒng)設計中，我們更進一步地熟悉了節(jié)流裝置的結構，差壓變送器的原理以及節(jié)流式流量測量原理還有節(jié)流式流量計的使用方法，也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查找翻閱與之相關資料、參考書來解決在設計中所遇到的問題的好習慣。在設計之前一定要熟知各遠器件的原理

53、及結構，接著要進行理論計算，對無法確定某個值的誤差時要利用它的不確定度來進行計算。計算中會出現(xiàn)許多誤差，我們要明確出現(xiàn)誤差的原因及怎樣做才盡可能減小這些誤差。還要綜合考慮管道的長度和值、要折中取的值，這樣可以減少誤差，使測量結果更接近于所要求的值。 通過此次課程設計，我們掌握了可壓縮流體流量的系統(tǒng)設計及計算方法，具備了靈活運用知識的能力，提高了解決工程實際問題的能力。</p><p><b>　　參考文

54、獻</b></p><p>　　[1] 吳永生，方可人.熱工測量及儀表[M].北京：中國電力出版社.1995</p><p>　　[2] 傅秦生.熱工基礎與應用.北京.機械工業(yè)出版社.2010</p><p>　　[3] 吳勤勤.控制儀表及裝置.第三版[M].北京:中國計量出版社.1992</p><p>　　[4] 蘇彥勛.流量