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渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)

什么是渦輪流量計(jì):
  渦輪流量計(jì)具有高靈敏度、脈沖信號(hào)輸出、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點(diǎn),是石油、化工、電力等工行業(yè)的燃?xì)庥?jì)量和城市天然氣、燃?xì)庹{(diào)壓站封閉管道中低粘度氣體的體積流量和總量及燃?xì)庥?jì)量的理想氣體流量檢測(cè)儀表[64]。在分析當(dāng)前可作參考的渦輪流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《用氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》和檢定規(guī)程《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》[65,66],發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不足在于:將其重點(diǎn)放在測(cè)量天然氣流量時(shí),只說(shuō)明如何使用流量計(jì)和設(shè)置相應(yīng)的技術(shù)要求,而忽略了還需考慮流量計(jì)的自身特性。而對(duì)于檢定規(guī)程則未考慮,在天然氣的流量測(cè)量過(guò)程中,溫度、壓力等參數(shù)對(duì)流量計(jì)使用的影響,使得流量計(jì)的檢定和使用維護(hù)遇到了諸多的不便。

  由于城市天然氣管網(wǎng)和計(jì)量站分布在全國(guó)各地,如何確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確,如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定期實(shí)施檢驗(yàn)維護(hù)是一個(gè)難題,為此提出一種在線監(jiān)測(cè)流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)的方法,它是在渦輪流量計(jì)能同時(shí)監(jiān)測(cè)流體的流量、溫度、壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步關(guān)注流量計(jì)本身的使用情況,通過(guò)對(duì)流量計(jì)壓損變化的監(jiān)測(cè),及時(shí)辨識(shí)流量計(jì)可能存在的運(yùn)行故障風(fēng)險(xiǎn),而間接提高儀表的計(jì)量準(zhǔn)確度。本章從闡述流量計(jì)原理、結(jié)構(gòu)、理論模型和特性分析開始,給出流體各參數(shù)的影響分析和監(jiān)測(cè)方法原理,得出各參數(shù)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)校正方法,***終將 4 個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)和流量計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示在監(jiān)測(cè)界面上。

渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理:
  從 20 世紀(jì) 60 年代中期,渦輪流量計(jì)開始在我國(guó)應(yīng)用,經(jīng)過(guò)多年改進(jìn),已成為當(dāng)前較為成熟的高精度儀表[67]。它由傳感器和流量積算儀組成,利用渦輪轉(zhuǎn)速與流體流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)速來(lái)得到體積流量。圖 2.1 為渦輪流量計(jì)的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu),它由 1 儀表殼體、2 前導(dǎo)流器、3 渦輪、4 后導(dǎo)流器和 5 帶有放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器等組成。
  其中用作固定各內(nèi)部部件和連接管道的儀表殼體與起導(dǎo)向整流并避免擾動(dòng)和支承渦輪作用的前后導(dǎo)流器均由不導(dǎo)磁的不銹鋼制成;用于將渦輪機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖頻率輸出信號(hào)的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器由磁鋼、鐵芯及線圈等組成;而作為傳感器的重要檢測(cè)部件渦輪則由高導(dǎo)磁性材料制成,它是在軸承的支承下與儀表殼體同軸,由口徑的大小來(lái)確定其葉片數(shù)。
圖 2.1 渦輪流量計(jì)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖

圖 2.1 渦輪流量計(jì)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖
  在被測(cè)流體通過(guò)流量計(jì)時(shí),經(jīng)過(guò)導(dǎo)流器后,渦輪葉片受到?jīng)_擊,由于葉片與流速間存一夾角,使得產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,為克服相應(yīng)力矩而渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流過(guò)的流量成一定的比例關(guān)系,為測(cè)得流量即可通過(guò)測(cè)量渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度。圖 2.2 為渦輪流量計(jì)的工作原理示意圖。
圖 2.2 渦輪流量計(jì)工作原理示意圖
圖 2.2 渦輪流量計(jì)工作原理示意圖
  為測(cè)得ω將傳感器的殼外安裝上帶有放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后,葉片不斷地接近和離開感應(yīng)線圈,這樣周期性地改變使得線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化,而產(chǎn)生與流量成正比的脈沖頻率信號(hào) f。脈沖信號(hào)經(jīng)由放大濾波整形后通過(guò)相關(guān)計(jì)算,***終得到體積流量 q V。

VKqf ? (2-1)式中:K——儀表系數(shù),
1/m3;q V——體積流量,
m3/s;
  需說(shuō)明的是在流量計(jì)的量程范圍內(nèi),K 值是不隨流量的變化而變化,其為常數(shù)并由實(shí)際標(biāo)定得到。

渦輪流量計(jì)的理論模型和特性分析:

  通常理想狀態(tài)下的渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)是一常數(shù),但實(shí)際上并不是如此,儀表系數(shù)與流量是成一定函數(shù)關(guān)系的,即為 K=f(q V)。為了明晰流量計(jì)的工作特性,下面對(duì)流量計(jì)的各力矩作一定性分析。

  作用在渦輪上的力矩如圖 2.3 所示:Tr 為流體對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩;Tre 為磁鋼對(duì)磁性葉片有吸引而產(chǎn)生的電磁阻力矩;Trf 為流體對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生的流動(dòng)阻力矩;Trm 為軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦阻力矩。
圖 2.3 渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析圖

圖 2.3 渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析圖

那么由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可得出其運(yùn)動(dòng)方程:rerfrmrTTTTdtdJ (2-2)式中:J——渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, kg·m2;ω——渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;在《流量測(cè)量手冊(cè)》中,川田裕郎等[68]提出了***通用的渦輪流量計(jì)驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩理論模型。他認(rèn)為可忽略影響較小的Tre且假設(shè)渦輪以恒定的ω旋轉(zhuǎn),那么則有:

0;0dtdTre(2-3)

將公式(2-3)代到公式(2-2),可得到:???0rfrmrTTT (2-4)在公式(2-4)中 Trm 被近似為常數(shù),
Trf 與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)需在具體情況下分析,而要確定 Tr 需對(duì)渦輪作受力分析。經(jīng)過(guò)相關(guān)分析后得出:???)(tan rAqqr TVVr??? (2-5)式中:r——葉片的平均半徑,
m;ρ——流體的密度,
kg/m3;A——流通截面積,
m2;由于旋轉(zhuǎn)角速度與流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系,可將公式(2-5)整理為:在函數(shù)關(guān)系 K=f(q V)和 K 與ω有具體表達(dá)式時(shí):Zfqf KV??2;?? (2-7)式中:Z——渦輪葉片數(shù),個(gè);那么將公式(2-6)用儀表系數(shù)的形式表達(dá):經(jīng)過(guò)充分的簡(jiǎn)化后,公式(2-8)即為流量計(jì)工作特性的數(shù)學(xué)模型。得到數(shù)學(xué)模型后可詳細(xì)分析其工作特性。在假設(shè)渦輪處于勻速狀態(tài),且忽略 Trm 和 Trf 條件下:??0;0rfrmTT (2-9)再將儀表系數(shù)與流量之間的關(guān)系代到(2-8)公式后得到:2222tanVrfVrmVqrTqrTqr A ??????? (2-6))tan(22222VrfVrmqrTqrTr AZK??????? (2-8)r AZK??tan2?? 
  由公式(2-10)可知 K 值僅與儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)(r、Z、A、θ)有關(guān),而與 q V的變化無(wú)關(guān)。那么在確定了儀表結(jié)構(gòu)后,K 就為一常數(shù),若在 K-q V 的二維圖上表示,即為一條平行于橫軸的直線。

  上述的分析是在理想的狀況下。實(shí)際上渦輪要能轉(zhuǎn)動(dòng)需***小流量值 q Vmin來(lái)克服靜摩擦力矩。計(jì)算 q Vmin 時(shí),認(rèn)為渦輪剛轉(zhuǎn)動(dòng),其ω非常小,可忽略 Trf的影響,即:
計(jì)算公式

  由公式(2-13)可知,影響 q Vmin 的因素有三方面:機(jī)械摩擦阻力矩、流體密度和儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)(r、A、θ)。獨(dú)立分析三方面因素時(shí),發(fā)現(xiàn)若ρ越大,q Vmin則越小。在氣體流量測(cè)量時(shí)溫度會(huì)對(duì)密度有極大的影響,從而使得 K-q V 曲線向左平移。另外若 Trm 越小,q Vmin 也將越小,那么小流量區(qū)段范圍會(huì)變寬,從而得到好的小流量特性。
  隨著流量逐漸增大,Trf 成了不能忽略的影響因素。而 Trm 因較小而被忽略:?0rmT (2-14)將公式(2-14)代到公式(2-8),即可得到:由于流體狀態(tài)不同,阻力矩的產(chǎn)生會(huì)有所不同,這時(shí)將其分為層流和湍流兩種流動(dòng)狀態(tài)來(lái)分析。層流時(shí) Trf 與流體粘度μ和ω有關(guān),而ω與 q V 成正比,那么:)tan(222VrmqrTr AZK?????(2-12)?? tan1minrATqrmV?? (2-13))tan(222VrfqrTr AZK????? (2-15)

計(jì)算公式

  由公式(2-19)可知,湍流狀態(tài)時(shí)儀表系數(shù)僅與儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)(r、Z、A、θ)有關(guān),而與其他參數(shù)無(wú)關(guān)。在流量計(jì)使用時(shí),將此區(qū)間作為測(cè)量范圍。在對(duì)流量計(jì)的四種狀態(tài)分析后,可得出 K-q V 曲線如圖 2.4 所示。
圖 2.4 渦輪流量計(jì)特性曲線圖

圖 2.4 渦輪流量計(jì)特性曲線圖

  從圖 2.4 可見,實(shí)際特性曲線上,層流與湍流狀態(tài)的交界點(diǎn)上 K 有一個(gè)峰值,而這是因?yàn)樵趯恿鳡顟B(tài)時(shí),Trf 較湍流狀態(tài)時(shí)要小一些。說(shuō)明此峰值主要受μ的影響,若μ越大,此峰值就會(huì)向大流量值的方向移動(dòng)。)tan(221VqrCr AZK??????(217))tan(222rCr AZK ????(2-19)
由上述分析可知,若 K-q V 特性曲線具有理想特性,無(wú)論流量如何變化,總可使得流量誤差為零。但實(shí)際上曲線為一般的特性曲線,在流量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi),隨著流量的變化,儀表系數(shù)也會(huì)有一些較小的變化,若變化的幅度越小,那么流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度就會(huì)越高。

多參數(shù)測(cè)量分析:
  根據(jù)渦輪流量計(jì)特性分析可知,渦輪流量計(jì)的測(cè)量常受到多種參數(shù)的影響,一般有[69]:(1)壓力變化導(dǎo)致出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象,而使其精度降低。(2)溫度變化使得金屬材料出現(xiàn)熱脹冷縮,致使幾何尺寸發(fā)生變化。(3)流體粘度會(huì)產(chǎn)生阻力而影響葉輪轉(zhuǎn)速。(4)流量測(cè)量需在量程范圍內(nèi),以保證 K 值恒定而不產(chǎn)生誤差。所以只有對(duì)這些影響因素重視并采取相應(yīng)的修正措施,才能保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

流量測(cè)量數(shù)學(xué)模型:
  流量是單位時(shí)間內(nèi)流體通過(guò)管道橫截面的流體量,它是一個(gè)瞬時(shí)量,一般以體積流量 q V 或質(zhì)量流量 qm 表示。

v AtVqV???? (2-20)v Atmqm????? (2-21)式中:V——流體體積,
m3;m——流體質(zhì)量,
kg;t——時(shí)間,
s;v——管道內(nèi)的平均流速,
m/s;A——管道橫截面,
m2;ρ——流體密度,
kg/m3;累積流量是一段時(shí)間內(nèi)流體通過(guò)管道橫截面的流體總量,它是流體對(duì)時(shí)間的積分量,一般以體積總量 V 或質(zhì)量總量 m 表示。??21ttVdtq V 

dtqmttm??21(2-23)在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有著各種不同的流量測(cè)量方法,這些測(cè)量方法是基于不同的流量測(cè)量原理,對(duì)于渦輪流量計(jì)而言,它是通過(guò)檢測(cè)出渦輪的旋轉(zhuǎn)頻率,而得到流量。KfqV? (2-24)?KNV (2-25)式中:f——信號(hào)脈沖頻率;N——信號(hào)脈沖頻率總量;K——儀表系數(shù),
1/m3;
 

差壓測(cè)量數(shù)學(xué)模型:

  在選擇渦輪流量計(jì)時(shí),除了要求其具有準(zhǔn)確度高、可靠性好和量程大等優(yōu)點(diǎn)外,壓力損失小也是一個(gè)重要指標(biāo)。流量計(jì)的壓力損失會(huì)造成能量的消耗,壓力損失越小,所需驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力將減少,這不單節(jié)約能源,還能減小測(cè)量的誤差。
  如果是在暢通的流體管道中,流體所受的阻力是非常小的,但若是在通道中裝上一可動(dòng)部件,那么管道流體的壓力就發(fā)生了變化,這時(shí)部件兩端會(huì)出現(xiàn)明顯的壓力差,而這壓力差值與流速有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通過(guò)傳感器測(cè)量壓力差,就可測(cè)得流速[70]。其計(jì)算公式為:

22?????P (2-26)式中:α——壓損系數(shù);
  由公式(2-26)可知影響壓損的因素有三方面:流體密度ρ、流速 v 和壓損系數(shù),由于 v 與ρ是流動(dòng)參數(shù),不能隨意的改變,所以只能減小α來(lái)減少壓損。而壓損系數(shù)與流體粘度、管道長(zhǎng)度和口徑以及流量計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

溫度和壓力的影響:
  氣體是由無(wú)序運(yùn)動(dòng)著的分子組成,由于分子間距較大,隨著溫度和壓力的變化,分子間距會(huì)隨之變化。所以,在氣體渦輪流量計(jì)的使用過(guò)程中,需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)溫度和壓力測(cè)量并予以修正,以保證流量計(jì)量的準(zhǔn)確性。
  溫度變化引起流體體積的變化,從而造成流量計(jì)儀表系數(shù)的變化,對(duì)其的修正為:

t Ct V1??? ? (2-27)式中:Ct V ——溫度修正系數(shù);β——被測(cè)流體溫度膨脹系數(shù),
1/℃;Δt ——工況溫度與標(biāo)定溫度的差值,℃;壓力變化引起流體體積的變化,從而造成流量計(jì)儀表系數(shù)的變化,對(duì)其的修正為:aaddp VFpFpC???11(2-28)式中:Cp V ——壓力修正系數(shù);pd ——標(biāo)定時(shí)的壓力,
Pa;Fd ——標(biāo)定下被測(cè)流體的壓縮系數(shù),
1/Pa;pa ——工況時(shí)的壓力,
Pa;Fa ——工況下被測(cè)流體的壓縮系數(shù),
1/Pa;另外,在被測(cè)流體溫度和壓力發(fā)生變化時(shí),是無(wú)法比較流體的體積流量,
這時(shí)需將工況下的體積流量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,而這除了需要測(cè)量工況下的壓力外還需測(cè)量工況下被測(cè)流體的熱力學(xué)溫度。

在線監(jiān)測(cè)方法:
  依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定:過(guò)程監(jiān)測(cè)是流量計(jì)在天然氣實(shí)流檢定合格后,用采集介質(zhì)和在線參數(shù)分析的方法對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,判定流量計(jì)的狀態(tài)是否有明顯變動(dòng)和其偏差是否超過(guò)使用中***大允許偏差的一種技術(shù)核查手段。而儀表運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要組成部分由 4 個(gè)環(huán)節(jié)組成[71]:
(1)儀表的狀態(tài)監(jiān)測(cè);
(2)通過(guò)信號(hào)處理得到故障特征信息;
(3)確定故障類型和發(fā)生部位;
(4)對(duì)明確的故障進(jìn)行防治或控制。

  對(duì)于渦輪流量計(jì)的狀態(tài)是指渦輪流量計(jì)運(yùn)行的工況,由流量計(jì)運(yùn)行過(guò)程中各物性參數(shù)以及影響準(zhǔn)確計(jì)量的影響因素和儀表的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)參數(shù)來(lái)描述,并通過(guò)測(cè)定以上參數(shù),通過(guò)參數(shù)的高低判斷流量計(jì)狀態(tài)。分析流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)的好壞:正常、異常和故障三種。而對(duì)流量計(jì)進(jìn)行定期或連續(xù)監(jiān)測(cè),包括采用各種測(cè)試、分析判別方法,結(jié)合儀表的歷史狀況和運(yùn)行條件,弄清流量計(jì)的客觀狀態(tài),獲取流量計(jì)性能發(fā)展的趨勢(shì)規(guī)律,為流量計(jì)的性能評(píng)價(jià)、合理使用、安全運(yùn)行及故障診斷打下基礎(chǔ)。當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)判別有異常時(shí),通過(guò)故障診斷進(jìn)一步確定故障的性質(zhì)、嚴(yán)重程度、故障類型、故障部位、故障原因,乃至說(shuō)明故障發(fā)展趨勢(shì)對(duì)未來(lái)的影響。

  當(dāng)前我國(guó)尚未制定出行之有效的渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)方法,也沒有比在線流量計(jì)計(jì)量精度等級(jí)高三倍以上的標(biāo)準(zhǔn)流量?jī)x表,因此提出采用差壓變送器測(cè)量出被測(cè)流量計(jì)進(jìn)出口兩端的差壓,在已知儀表相關(guān)參數(shù)的條件下,利用由流量計(jì)瞬時(shí)流量與溫度、壓力以及壓損關(guān)系判斷流量計(jì)是否正常運(yùn)行的判別方法求得流量,并作為參考流量值進(jìn)行在線比對(duì)。它是以解決渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)問(wèn)題的一種新型的氣體流量?jī)x表在線監(jiān)測(cè)方法。
  本方法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程:在被測(cè)渦輪流量計(jì)使用過(guò)程中,將前直管道上安裝壓力變送器,前直管道出口通過(guò)法蘭與被測(cè)流量計(jì)連接,在被測(cè)流量計(jì)進(jìn)出口端連接一差壓變送器,被測(cè)流量計(jì)的出口通過(guò)法蘭與后直管道連接,后直管道上安裝溫度變送器。再將壓力變送器、被測(cè)流量計(jì)、差壓變送器和溫度變送器輸出的各個(gè)信號(hào)線連接到數(shù)據(jù)采集模塊上,數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò) 485 通信模塊與計(jì)算機(jī)連接,運(yùn)行計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件,雙擊桌面上“渦輪流量計(jì)測(cè)試.exe”,打開監(jiān)測(cè)程序。

  其中渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)基于.NET 平臺(tái)中的 C#語(yǔ)言編寫,由上位機(jī)發(fā)出指令開始監(jiān)測(cè),并將采集到的被測(cè)流量計(jì)的脈沖信號(hào)、壓力變送器測(cè)得的壓力值、差壓變送器測(cè)得的差壓值、溫度變送器測(cè)得的溫度值通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序?qū)⒉杉降牧髁坑?jì)的脈沖頻率信號(hào)通過(guò)相關(guān)的計(jì)算得到被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量值,在經(jīng)過(guò)公式積分計(jì)算出監(jiān)測(cè)時(shí)間 T 內(nèi)被測(cè)流量計(jì)的累積量。管道測(cè)量介質(zhì)為空氣,流過(guò)被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量按照公式(2-29)計(jì)算如下:
TZPZPTKNqbbbV?? (2-29)式中:q V ——流過(guò)被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量,
m3/h;N——被測(cè)流量計(jì)的脈沖數(shù),無(wú)量綱;K——被測(cè)流量計(jì)的儀表系數(shù),單位 1/m3;Pb、Tb、Zb——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的壓力、熱力學(xué)溫度和壓縮
系數(shù)即 Pb=101.325k Pa、Tb=293.15K、Zb=1;P、T、Z——分別為工況下傳感器測(cè)得的壓力、熱力學(xué)溫度和壓縮系數(shù),單位分別為 Pa、K、無(wú)量綱,常壓下 Z=1。同時(shí)上位機(jī)將采集到的溫度、壓力、差壓數(shù)據(jù),利用由流量計(jì)瞬時(shí)流量與溫度、壓力以及壓損關(guān)系判斷流量計(jì)是否正常運(yùn)行的判別方法計(jì)算出被被測(cè)流量計(jì)的計(jì)算瞬時(shí)流量,積分計(jì)算出監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)流過(guò)被測(cè)流量計(jì)的累積流量。渦輪流量計(jì)的壓力損失與渦輪的驅(qū)動(dòng)、管道內(nèi)部的摩擦以及流體的速度和方向有關(guān)。被測(cè)流量計(jì)進(jìn)、出口差壓變送器測(cè)量到的壓損與流量之間的關(guān)系為:(2-30)式中:ΔPmax——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,介質(zhì)為干空氣(20℃,
101.325k Pa,
ρ=1.205kg/m3)時(shí),***大流量的壓力損失,
k Pa;ρb——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20℃,101.325k Pa)下的介質(zhì)密度,
kg/m3;P——工況下壓力檢測(cè)點(diǎn)的壓力,
k Pa;Pb——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,
Pb=101.325k Pa;Tb——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度,
Tb=293.15K;T——工況下溫度檢測(cè)點(diǎn)的溫度,
K;q V——被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量,
m3/h;q Vmax——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測(cè)流量計(jì)***大工況瞬時(shí)流量,
m3/h。
由壓力變送器測(cè)出壓力值 P,溫度變送器測(cè)出溫度值 T,
ΔPmax 和 q Vmax 及ρb由查表得出,即可計(jì)算出流過(guò)被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量 q V1,進(jìn)而積分計(jì)算出監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的理論氣體累積流量 Q1,以此作為參考流量值。被測(cè)流量計(jì)的示值誤差按公式(2-31)計(jì)算:(2-31)式中:Q——被測(cè)流量計(jì)示值(累積值),
m3;Q1——被測(cè)流量計(jì)計(jì)算值(累積值),
m3。比較兩者的流量值,得出被測(cè)流量計(jì)的示值誤差。由此,在規(guī)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間 T 內(nèi),就差壓變送器測(cè)量被測(cè)流量計(jì)的前后壓力變化與流量計(jì)流量變化及儀表精度進(jìn)行分析,將測(cè)得的差壓與同一時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)計(jì)算出被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量擬合成差壓流量曲線,并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)選擇保存不同時(shí)間段監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)內(nèi)的差壓流量曲線圖,在當(dāng)前的監(jiān)測(cè)時(shí)%10011???QQQE間里調(diào)用前后時(shí)間段的差壓流量曲線進(jìn)行比對(duì),分析被測(cè)流量計(jì)的瞬時(shí)流量是否有明顯變動(dòng)或是其偏差是否超過(guò)使用中***大允許偏差。同時(shí)還利用當(dāng)前測(cè)得的數(shù)據(jù)與被測(cè)流量計(jì)的基本參數(shù)計(jì)算出被測(cè)流量計(jì)的實(shí)時(shí)計(jì)算瞬時(shí)流量,再與此流量計(jì)同一時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)計(jì)算出的被測(cè)流量計(jì)瞬時(shí)流量對(duì)比,判別流量計(jì)是否始終在合理的使用流量范圍內(nèi)或是否有異常及跳變。

  另外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行狀態(tài)好壞的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)流量計(jì)的壓損損耗是否超出正常合理范圍值,并及時(shí)分析和排除故障原因。且由于溫度和壓力及壓損對(duì)流量計(jì)的影響不能忽視,所以將實(shí)時(shí)采集到的溫度和壓力及差壓等參數(shù)信息在監(jiān)測(cè)界面上實(shí)時(shí)顯示,以此能準(zhǔn)確評(píng)估溫度、壓力、差壓變送器的測(cè)量穩(wěn)定性。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案:

  渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)試系統(tǒng)(被測(cè)渦輪流量計(jì)、溫度和壓力及差壓變送器、管路)、數(shù)據(jù)采集模塊和裝有監(jiān)測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)組成,所見圖2.5 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其監(jiān)測(cè)及設(shè)計(jì)依據(jù)參照《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》,設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為(8~250)m3/h,可對(duì) DN50 和 DN80 的氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

圖 2.5 渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2.5 渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

  如圖 2.5 所示,從左往右,前直管道出口通過(guò)法蘭與被測(cè)流量計(jì)進(jìn)口連接,前直管道長(zhǎng)度滿足大于等于 10DN(DN 為渦輪流量計(jì)公稱通徑)的要求,在距被測(cè)流量計(jì)進(jìn)口端 4DN 的前直管道上裝有壓力變送器,取壓孔徑根據(jù)所選壓力變送器型號(hào)規(guī)格來(lái)確定。被測(cè)流量計(jì)的出口通過(guò)法蘭與后直管道連接,在距被測(cè)流量計(jì)進(jìn)口端 1DN 的前直管道上鉆一取壓孔通過(guò)軟管連接差壓變送器高壓端,
在距離被測(cè)流量計(jì)出口端 1DN 的后直管道上鉆一取壓孔通過(guò)軟管連接差壓變送器低壓端,取壓點(diǎn)均為圓形取壓孔且鉆孔直徑 6mm。差壓變送器用作被測(cè)流量計(jì)壓力損失測(cè)量及差壓流量的計(jì)算。后直管道長(zhǎng)度滿足大于等于 5DN 的要求,在距被測(cè)流量計(jì)出口端 2DN 的后直管道上裝有溫度變送器,測(cè)溫孔徑根據(jù)所選溫度變送器型號(hào)規(guī)格來(lái)確定。被測(cè)流量計(jì)前直管道上安裝壓力變送器,后直管道上安裝溫度變送器,它們用以進(jìn)行工況流量的修正及差壓流量的計(jì)算。

  通過(guò)渦輪流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù),對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的流體實(shí)行數(shù)據(jù)化的分析和處理,數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng) RS-485 轉(zhuǎn)換連接到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的串口上,監(jiān)測(cè)界面為技術(shù)人員提供詳細(xì)的運(yùn)行情況資料,以此達(dá)到對(duì)流量計(jì)的在線監(jiān)測(cè)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患的目的。

各類傳感器的選型:

  渦輪流量計(jì)的管路前直管段上應(yīng)裝有測(cè)壓儀表,后直管段上裝有測(cè)溫儀表,以進(jìn)行工況流量的修正。在考慮測(cè)量精度和性價(jià)比以及比較市場(chǎng)上的多類產(chǎn)品后,***終測(cè)壓儀表選用羅斯蒙特 3051 系列,測(cè)溫儀表選用 Pt100 熱電阻類型的久茂產(chǎn)品。
  在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,壓力變送器為 1 臺(tái)絕壓變送器,其測(cè)量范圍(80~120)k Pa,1 臺(tái)差壓變送器測(cè)量范圍(-20~20)k Pa,精度均為滿量程 0.075%,輸出基于HART 協(xié)議的(4~20)m A 電流信號(hào),供電電壓 24V。溫度變送器 1 臺(tái),其測(cè)量范圍(5~45)℃,精度在 0.2℃以內(nèi),輸出基于 HART 協(xié)議的(4~20)m A電流信號(hào),供電電壓 24V。其中絕壓變送器用于壓力測(cè)量及計(jì)算流量計(jì)的流量;差壓變送器用于測(cè)量流量計(jì)兩端的差壓及計(jì)算流量計(jì)的流量。差壓變送器的測(cè)壓點(diǎn)在流量計(jì)進(jìn)出口直管段 50mm 處,測(cè)壓孔為美制 1/4NPT 內(nèi)螺紋內(nèi)孔,與直管段壁垂直,壓力分接點(diǎn)分別連接 10mm 的軟管;溫度變送器用于測(cè)量流量計(jì)后直管段管道氣體溫度及計(jì)算流量計(jì)的流量。

本章小結(jié):

  本章從渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),通過(guò)研究流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理和理論模型以及特性,分析了溫度、壓力、壓損等物性參數(shù)對(duì)流量計(jì)的影響,獲得由流量計(jì)瞬時(shí)流量與溫度、壓力以及壓損關(guān)系判斷流量計(jì)是否正常運(yùn)行的判別方法,并將此方法應(yīng)用到了渦輪流量計(jì)管理維護(hù)和故障分析的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上。

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