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供求信息: 能源计量百题问答—答题
发布时间: 2008-5-3 阅读次数: 13666

1. 标准节流装置有那些?标准节流装置有什么优点?(王建中    孙淮清)

:标准节流装置是按照国际标准ISO5167ISO9300、国家标准GB/T2624-2006规定的技术条件设计、制造、使用的节流装置,无需湿标可以确定流量系数和误差。现在符合条件的在封闭管道中有:标准孔板,标准喷嘴,标准文丘里管,标准比托管,标准音速喷嘴,标准音速喷管等;明渠中有:标准堰(薄壁堰、三角堰、矩形堰、宽顶堰)。一般不需要湿标就可以根据标准规定的技术条件完成从设计、制造、安装、使用的过程。

必须满足如下条件:

1)       确定的适用范围,包括介质、几何尺寸、流动条件、流体力学参数(雷诺数、粘度、压力、温度等)、热力学参数(物性及状态)、安装条件、数据采集方式及使用方法;

2)       确定的数学模型,包括流量公式、各有关系数的计算,特别是流量系数的计算;

3)       确定的几何条件,管道口径(封闭管道);渠道宽度(明渠);

4)       确定的安装条件,现场影响流动各因素条件;

5)       确定的不确定度计算,附加不确定度计算(如果需要);

6)       确定的检定周期,满足流量计使用性能的时间条件;

7)       不需要湿标可以达到流量计的各项性能。

优点:

1)    最大的优点是经济性好,不需湿标,可以节省大量的检定费用;

2)    方便设计、制造、安装、使用,技术问题可以随时随地根据技术标准解决而不会引起分歧;

3)    技术成熟,容易普及,容易掌握,容易使用;

4)    稳定可靠;

5)    结构简单,无活动件,工作寿命长;

6)    适用于各种介质,包括液、气、汽、多相;

7)    适用于各种尺寸口径(在标准范围内);

8)    适用的压力、温度是各种流量计中最高的;

9)    历史悠久,累计试验数据最全;理论研究的最透彻;实际经验最多;

10)   有国际标准和国家标准可依。

其特点列举如下:

1)  标准中详细列举节流装置的结构形式和技术要求;流出系数和可膨胀性系数计算式,应用条件及不确定度计算式等;压力损失计算式等;现场使用的条件:脉动流阀值,抑制非充分发展管流的措施,如规定直观段必要的长度,测量管和节流件的安装要求以及流动调整期的应用等标准中列举的资料是标准节流装置应用的基本资料,在全部流量测量标准中他是最完备和最成熟的。

2)  标准节流装置具有丰富的关于偏离标准进行修正的资料,如AGA3号报告及ISO9300中的参考文献列举的资料,实际上国际上有关标准节流装置的资料比这些要多得多,这些资料我们称为标准节流装置的软实力,在全国流量检测件中标准节流装置的软实力是首屈一指的。

3)  标准节流装置的试验数据是全世界共同完成的,数据的可靠性和可信度与只由个别厂家或科研群体完成的是不能比拟的,由全社会完成可以保证可靠的无系统偏差。美国石油测量标准手册API5.7“差压流量计测试协议”中规定具有RG公式流出系数的孔板检测件是流量标准装置量值动态溯源的传递标准,在需要可靠的流量测量量值的测量中孔板检测件将扮演重要的角色。

4)  在标准节流装置中几种节流装置的成熟度是不一样的,廓形节流装置喷嘴和文丘里管比孔板要差些,但廓形节流装置有比孔板更多的优点,如压损小,流量测量稳定性好,可适用赃污流体介质等。近年对这些廓形装置的应用已受到重视,它们的使用潜力远未发挥,目前在高温高压蒸汽测量和混相流体测量中推荐它代替孔板。

5)  临界流文丘里喷嘴(俗称音速喷嘴)近年应用及试验研究形成一股热潮,他是公认的气体流量测量传递标准的首选检测件,ISO9300新标准(2005版)拓宽其应用范围,主要是低雷诺数区域,它可适应城市天然气急需气体测量传递标准的需求。另外高标准的音速喷嘴可以把气体流量测量提高到崭新的高度,其影响意义甚为深远。

2. 什么是气体的压缩系数?(王建中)

答:气体压缩系数Compressibility coefficient也称压缩因子Compressibility factor。是实际气体性质与理想气体性质偏差的修正值。通常用Z表示,Z=Pv/RTPvm/RuTZ也可以认为是实际气体比容v(vactual)对理想气体比容videal的比值;Zvactual/videalvidealRT/P 。其中,P是气体的绝对压力;vm是摩尔体积;Ru是通用气体常数;R=Ru/MR是气体的摩尔气体常数;T是热力学温度。Z偏离1越远,气体性质偏离理想气体性质越远。Z在实际气体状态方程中出现。凡在气体流量的计算中必然要考虑压缩系数。在压力不太高、温度较高、密度较小的参数范围内,按理想气体计算能满足一般工程计算精度的需要,使用理想气体状态方程就可以了,此时压缩系数等于1。但是在较高压力、较低温度或者要求高准确度计算,需要使用实际气体状态方程,在计量气体流量时由于要求计算准确度较高,通常需要考虑压缩系数。随着对气体状态方程准确度要求提高,在百余年来实际气体状态方程出现了许多不同形式,对压缩系数也有不同的表述。比较有名的是范德瓦尔状态方程和维里状态方程。

    求得压缩系数的方法:

1)      
查表法,对比态参数在图表上查得。已有的图表是通过试验对不同气体测得PvT(分别是压力、比容、温度)数据和相应的临界参数PcvcTc、计算得到对比参数PrvrTr绘制的Z--Prvr图。Zc是固定的,如图1ZC固定为0.27

1       通用气体压缩系数,纵坐标Z,横坐标是P


         

式中,Pc是临界压力,Tc是临界温度,随物质不同而不同;对比压力Pr、对比温度Tr根据测量的压力、温度和临界压力、温度计算;Pr=P/Pc Tr=T/Tczc为临界点处实际气体的压缩因子,称为临界压缩因子。实验表明,临界压缩因子zc数值相近的各种气体,可以认为具有相似的热力学性质,即在相同的对比压力pr及对比温度Tr下,它们的对比比体积vr的数值基本相同,都可以表示为vrf(pr,Tr)。于是压缩因子还可以表示为


   

        对于临界压缩因子zc有相同数值的气体,当它们的对比参数prTr相同,即处于对应状态时,它们压缩因子z具有相同的数值。于是,如果把压缩因子z随状态变化的实验关系整理成z与对比参数prTr的关系,并表示成如图1所示的图线,就可以用于所有具有相同临界压缩因子zc的气体,直接按其状态所对应的prTr的值,由图上查取该状态下压缩因子z的数值。因而这种表示zprTr关系的线图称为通用压缩因子图。

各种气体临界压缩因子的数值大致在0.230.31的范围内,而60%的烃类气体的zc0.27左右,故最常见的通用压缩因子图为zc0.27的线图。该图也常用于zc不等于0.27的气体的近似计算,当用于zc0.260.28的各种气体时,除临界点附近的状态外,所得z的数值的误差小于5%。此外,对于一些没有详细物性数据的气体,采用通用压缩因子图估算其状态变化关系有很大的实用价值。如果在气体的状态变化范围内,压缩因子z的数值在0.951.05的范围内,则可当作理想气体处理。

        在临界压缩因子zc数值相同的条件下,如果已知TrPr,就可应用通用热力性质图查出相应的偏差来。在应用通用热力性质图时,应注意该图的临界压缩因子zc的数值。显然,使用非同组的压缩因子图,会带来较大的误差。

2)        计算法

根据维里状态方程


      

其中,ω是对比密度,ω=ρ/ρc; τ是对比温度,τ=T/Tc bi,j是维里系数,


对于空气,bi,j使用下表,bi,j是维里系数

      


对于天然气,按照 AGA8/1992 and ISO-12213-2/1997 ,天然气的z系数计算

 

其中,ρm是天然气的莫尔密度, ρr是对比密度, B是第二维里系数,Cn*是温度从属系数(emperature dependent coefficients),bn, cn kn ISO-12213-2/1997.给的状态方程的参数,ρm是莫尔密度,ρr是对比密度;有关参数的计算比较复杂,请参阅 ISO-12213-2/1997.

3)        试验法,按照实际使用的气体,根据需要的误差,选择合适的状态方程,进行试验,得到自己需要的压缩系数,是最准确的方法。

如果要求不太高,用查表法;如果要求高,用计算法或者查专门文献及标准资料。

参考文献

1.     Kenneth Wark,Jr./Donald E Richards:Thermodynamics(Sixth Edition),清华大学出版社,200611月,影印版。

2.     曾丹苓 敖越 张新铭刘朝 编:工程热力学(第三版),高等教育出版社,20044月。

3.     刘玉鑫,热学,北京大学出版社,2002年。

4.     Brian R. HollisNorth Carolina State University ¥ Raleigh, North Carolina

Real-Gas Flow Properties for NASA

Langley Research Center

Aerothermodynamic Facilities Complex

Wind TunnelsNASA Contractor Report 4755

5.     Ivan Maric, Antun Galovic, Tomislav ŠmucCalculation of natural gas isentropic exponent

Received 21 June 2004; received in revised form 21 September 2004; accepted 11 November 2004

 

3. (28)、什么叫充分发展管流?它在流量测量中的意义。什么叫非充分发展管流?

(王建忠)

答:在管道流动中边界层充分发展到管道中心形成固定的于管道中心三维对称的流速分布剖面的流动称充分发展管流。按照紊流、层流的管道流充分发展流有不同速度剖面,层流速度剖面是抛物线形,紊流是指数形。如图

       

 

层流时,


        紊流时,      

 

式中,R是管子半径,r是管半径变量,k是常数(≈0.41),B是常数(≈5.0,u*是摩擦速度,是管壁剪应力和流体密度的函数。

    当管流达到充分发展时,流速稳定,对管径对称,因而流量稳定;流量计采集信号稳定,才可以达到计量流量的目的。

    非充分发展管流,是流速不能形成固定且“规范”的速度剖面的流动(所谓规范是指在一定雷诺数时稳定的于管道中心对称的速度剖面);特点是不稳定。比如,在弯头,阀门,扩径管,缩径管,分岔管,各种变径管中或者后面,凡是可以造成流场中速度方向、大小变化的,都是非充分发展流。下图中细线表示充分发展流,粗线表示非充分发展流。


非充分发展流的管段内是不可以安装流量计的。为了解决此问题,各种流量计特别是速度式流量计要求在安装流量计位置有一定长度的直管段。流量计前有较长的直管段,其后较短。目的是使流速基本达到充分发展。各流量计对流速分布不稳定性要求不同,对直管短长度要求也不同。直管段达不到要求者可以在管道中加设整流器使之改善。如下图


           

                              

参考文献

1. Andrea Frattolillo, Nicola MassarottiFlow conditioners efficiency a comparison based on numerical approachA. Frattolillo, N. Massarotti / Flow Measurement and Instrumentation 13 (2002) 1–11

2.Frank M WhiteFluid Mechanics (fifth Edition)。清华大学出版社,2004

3. George E.Mattingly and T.T.Yeh,Elbow effects on pipe flow and selected flow meters,NIST,USA.

 

 

 

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