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一体化孔板智能流量计的应用
2010/4/5 18:19:15
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现代工厂中随着对生产工艺及过程的不断提高，要求节能，现在多数的节能措施即是合理的计量工艺中所要求的各个参数及介质，确保产品的质量及合格的工耗，要求流量计能准确计量；热电厂对外供热同样要求测量蒸汽的流量计计量准确，以利贸易结算。以往选用蒸汽流量计时，往往受到流量计本身的参数影响。例如孔板流量计量程比窄，计量精度低，而不能满足过程计量的要求。
差压式流量计是迄今为止检测各种气体、液体和蒸汽流量最为广泛使用和熟悉的检测方法。它用于检测流量的基本原理早在17世纪就已发现，而真正开始进行大规模的试验和用于工业流量测量是在本世纪20年代。标准节流装置经过60余年的研究和使用，积累了丰富的数据和经验，它是目前流量仪表中唯一达到标准化的检测元件，即无须实施校准就可投用。这是它成熟程度的主要原因之一。根据日本电气计测会和日本计量机器工业联合会在所有流量仪表总销售金额的35%左右。经粗略统计，过程中约80%的流量测量系统采用差压式流量计。由此可见必须充分了解差压式流量计的特性。
2、孔板流量计分析
2.1传统孔板流量计
差压式流量计由节流装置（标准节流装置和特殊节流装置）和差压计组成。按其测量方法是是以能量守衡定律和流动连续方程为基础的。标准节流装置基本适合测量干净的液体、气体或蒸汽流量。其主要优点是结构简单，能够保证一定使用精度，加工、安装及更换方便，价格低廉。主要不足和缺点是测量范围窄（量程比约4：1），永久压力损失大（占差压的40%-80%），直管段要求较严格。带尖锐边缘的标准孔板不适合测量强磨蚀流体，长时间使用会改变流量系数，从而增大误差。此时宜采用标准喷嘴。一般需经模拟实流试验才能可靠地使用的节流装置称为特殊节流装置（或称为非标准节流装置）。特殊节流装置的使用主要是弥补标准节流装置的不足。比如1/4圆喷嘴和双重孔板可用于测量低雷诺数的流体，圆缺孔板、偏心孔板等可用于测量脏污介质，整体（内藏）孔板可用于测量小流量（小管道），文丘里管适用于低压损测量等……
传统孔板是范围度1:3～1:5，计量精度±5%，这是因为传统的孔板流量计以△P为变量，测出孔板的流量，但这在实际中qm＝f(c，ε，△P)的函数，在实际设计中通常采用c，ε为一常量去设计，即在整个测量流量范围（差压范围）内，只用一个计算公式。因此，仅仅由于计算误差，就影响到整个测量范围（不包括仪表和传感器部分的误差），在65%处的流量附近时，误差接近零，离开此处后，误差逐渐增大。这就是说过去选用的c，ε点即为70%左右的点，流量大时误差偏向“+”侧，相反流量小，误差偏向“－”。由压差检测获得的孔板计算曲线，在无计算机技术的年代里，是无法对其进行多层次的运算，孔板流量计的量程比和测量精度在很长的一段时间里停留在较低的水平。
2.2SR一体化孔板流量计
SR一体化孔板流量计是不同于以往的传统型孔板流量计.1984年，由于IC技术的发展和计算机技术的应用技术人员开始研究由孔板误差曲线所想到的新的运算方法。这就是计算误差均限定为±4%时，流量范围约为45%-85%。这就是过去工业测量所能使用的范围，量程比为1：4，孔板测量精度±4%，再提高测量精度至±3%时，量程比比缩小1：2附近，超过这个界限测量时，会造成压力表内水银飞溅，产生大的测量误差，是不便于实际应用的流量计。这就是人们认为孔板流量计精度±4%，量程比最大到1：4固有观念的原因所在。事实上确是如此，即使拥有现代的传感器，也无法超越这个原理和法则。但是这么大的误差和窄的量程比对工业测量带来很多问题。技术人员从误差曲线开始研究，在曲线上精度±0%处（流量65%附近）分割出一流量（压差）区域，在此区域内测量精度为零或接近于零，并进一步用计算机进行处理实验。为便于计算，选定使用频率高的区域，在此区域内组成计算误差最小的数学模型，其它区域仍用以往的计算式，这种方式在所确定的区域内误差变小，区域外侧产生很大的误差，流量范围增大，误差随着越大，不能取得大的量程比。由此可见，只用一人公式包容流量计的整个流量范围，是不合适的，有违于测量原理。这种方式的根本错误是难于将所认定的高频度使用区域与现实相吻合，对于整个流量范围，减少测量误差的方法可增加运算式的数量就可满足要求。
SR一体化孔板流量计基于以上原理，采用了IC技术和计算机技术实现了量程范围度1：20或更大量程比，基本误差为±1%。（保证在整个测量段范围内）。
2.2.1测量原理-逼近式算法
孔板流量计是通过使用孔板节流元件获取差压并依据节流装置流量测量的相关国家标准及国际标准(如GB/T2624-93﹑ISO5167等)所规范的原理﹑条件最终计算出所需测量的流量值。其基本公式如下:
①瞬时流量:
标记为公式组 ①
式中: qm----------瞬时流量,单位:kg/h β-------工作状态孔径比;
*ΔP--------------差压,单位:Pa *c -------流出系数
ρ1---------------上游侧流体密度,单位:kg/m3 *ε1-----流体可膨胀系数
d----------------工作状态节流孔径, 单位:m
公式中有几个关键系数：c、ε1它们不仅与介质状态相关而且还与流态（管道雷诺数）相关；因此实际上是一组复合变量。以前由于受电子技术发展水平制约，计算机或单片机无法在约定的时间内按复杂的数学模型快速处理数据流，为了简化运算程序只好将系数：c、ε1、β常数化，即不管蒸汽状态如何变化、雷诺数多高均取设计状态时常用流量点系数c、ε1、作为公式常数建模。其代价便是人为增大系统误差，降低可信测量范围。
首先将误差限定在±1%时，分析用一个运算式计算误差有多少，发现流量范围—30%的比例平分后，平均其误差，在这种条件下使用计算机按所编程序进行运算，然后误差从±1.0%一下缩至±0.5%，分割流量范围为20%，可见其误差平均化。将此理论进一步发展，可将分割流量范围为20%，可将分割区间细分，使误差无限接近零，进一步细分至无穷大，最后可能收敛于零。然而总是不那么简单，细分区间必使得孔板的计算复杂化，首先看原计算式。
*C：流出系数(- -)
β：孔径比(d/D)
*ε：可膨胀系数
γ：蒸汽的比重(Kg/m³)
*△P：压差(Pa)
此式适用于分段区域。公式不过简单的二次函数，但式中有三个带有*号的变量。计算时，不仅该区域的压差不同于其它区域，而且还必须考虑其它二人变量的变化。因为压差发生变化时，其流体发生变化，当然流量系数，截流系数也同时发生变化。压差可变为电流信号容易取出，但也压差连动的实时变化的流量系数与截流系数，要计算出来则是困难的。其理由是，要计算二个变量需要庞大的基础资料和反复进行运算的烦琐严密的数学公式，即使使用现代家用电脑，其运算时间也要超过1秒。更何况专用小型计算器了，根本跟不上流体的变化，必导致产生数秒的运算滞后和显示滞后。从实用角度看，无论使用什么样的软件技术，运算所需时间都要在0.5秒内完成。在不计成本的开始研制阶段，是不需考虑的，但要商品化则必须计较，这也是无限细分区间遇到的最大障碍。
在反复计算各参数变量的过程中，不局限于将误差控制在±0.5%的分段区间均等性，相反由误差的所控范围推出分段区间，在这个分出的流量区域内，将流量系数与可膨胀系数这二个变量集约成一个参数变量。更为重要的是明确了分段区间不用分为5等分，分为4个区段就足以保证测量精度。此举可缩短运算时间和压缩记忆存储容量。
分段运算法最显见的缺陷是各分段区间的连接点，“+”误差瞬间变为“－”误差，理论上出现数值重叠，实际上在那点只要流量不为，就看不到这种现象。在瞬间流量显示时，瞬间数值会有所变动，但由于地在1%误差内的变动，不会影响实际使用，在视觉上也极难观察到这种现象。相反在累加中，由于一连串的流量增减，反复通过三个连接点，正负误差相差相互抵消平均，在4个分段内的运算也因此正负误差相抵，从整个累加量上分析具有缩小综合误差的效果。这一点是分段运算的重要优越性。现代计算机技术的发展，能够将分段点分为8段或更多段，并以等比段数分段法去分段，基于这一理论开发的SR型流量计，范围度1：20或更大量程比，基本误差为±1%。
以下是一个测量实例，结合表1.以传统节流孔板流量计和SR型流量计作对比计算：
编号: 表1
|
项 目 及 内 容
|
说 明
|
||
|
测
量
介
质
与
测
量
条
件
|
介质名称
|
过热蒸汽
|
|
|
仪表安装地之平均大气压
|
100700Pa
|
|
|
|
测量点处介质工作压力及波动范围
|
0.78 Mpa
|
|
|
|
测量点处介质工作温度及波动范围
|
270℃(240~300℃)
|
|
|
|
工作状态介质密度 ρ(f )
|
3.68642Kg / m 3
|
|
|
|
工作状态介质粘度 μ
|
0.000018494 Pa S
|
|
|
|
工作状态介质等熵指数 k
|
1.298
|
|
|
|
最大流量
|
45T/ H
|
|
|
|
常用流量
|
31.5T / H
|
|
|
|
最小流量
|
2T / H
|
|
|
|
范围度
|
1 :25
|
|
|
|
最大压损
|
33476Pa
|
|
|
|
节流
装置
|
节流件类型
|
标准孔板 (GB2624-93)
|
|
|
取压方式
|
角接取压
|
|
|
|
节流件材质
|
1Cr18Ni9Ti
|
|
|
|
节流孔径（20℃） d
|
Φ202.806mm
|
|
|
|
管
道
及
法
兰
|
管道实测内径 （20℃）D
|
Φ357.0mm
|
|
|
管道规格及材质
|
Φ377×10/20#钢
|
|
|
|
管道内表面状况及粗糙度
|
新无缝管
|
|
|
|
节流件安装方式及管线姿态
|
法兰夹装 / 水平
|
|
|
|
节流件上游侧直管段长度
|
≥ 20 D
|
|
|
|
节流件下游侧直管段长度
|
≥ 10 D
|
|
|
|
夹装用法兰标准
|
JB 81—59
|
|
|
|
夹装用法兰规格(用户自备,尺寸见附图)
|
DN 350 ; PN 2.5 Mpa
|
|
|
|
密封垫规格及材质（用户自备）
|
|
|
|
|
联结用螺栓规格/材质（用户自备）
|
|
|
|
|
系
统
配
置
|
孔板型号
|
SR(Ⅲ)350 S1W-HB-CZ
|
|
|
三阀组型号
|
成套供货
|
|
|
|
差压变送器类型
|
3051CD2
|
|
|
|
最大差压值
|
Δpmax = 51.115 Kpa
|
|
|
|
控制仪型号
|
TC205S1W1-F
|
|
|
|
瞬时流量(累积量)显示数值单位
|
T/ H （T）
|
|
|
|
瞬时流量比例电流输出要求
|
4-20 mA DC
|
|
|
|
累积量信号输出要求
|
无
|
|
|
|
上下限报警输出要求
|
无
|
|
|
|
温度补偿型式及范围
|
0~350℃温度变送器补偿
|
|
|
|
压力补偿型式及范围
|
0~1.6MPa压力变送器补偿
|
|
|
对比计算表2
|
序
号
|
流量
范围
%
|
采用系数Cxε1
|
差压测量值
ΔP
|
流量理论值qm0
|
流量计算值qm1
|
流量计算值误差%
|
|||
A |
B |
A |
B |
A |
B |
||||
|
1
|
100~95.4
|
0.60390x0.99043
|
0.592317771
|
50000
|
44539.364
|
45011.037
|
44563.379
|
1.059
|
0.054
|
|
2
|
95.4~90.5
|
0.598120677
|
0.593473513
|
45000
|
42338.938
|
42701.219
|
42359.024
|
0.856
|
0.047
|
|
3
|
90.5~85.3
|
0.598120677
|
0.594557021
|
40000
|
39998.012
|
40259.095
|
40009.384
|
0.653
|
0.028
|
|
4
|
85.3~79.6
|
0.598120677
|
0.595712763
|
35000
|
37490.199
|
37658.935
|
37498.101
|
0.450
|
0.021
|
|
5
|
79.6~73.5
|
0.598120677
|
0.596868505
|
30000
|
34779.323
|
34865.399
|
34783.849
|
0.247
|
0.013
|
|
6
|
73.5~66.9
|
0.598120677
|
0.598096481
|
25000
|
31813.408
|
31827.609
|
31818.493
|
0.045
|
0.016
|
|
7
|
66.9~59.5
|
0.598120677
|
0.599179989
|
20000
|
28512.833
|
28467.479
|
28510.882
|
-0.159
|
-.007
|
|
8
|
59.5~51.1
|
0.598120677
|
0.600407964
|
15000
|
24743.827
|
24653.560
|
24741.751
|
-0.365
|
-0.008
|
|
9
|
51.1~41.4
|
0.598120677
|
0.601563706
|
10000
|
20246.076
|
20131.004
|
20240.441
|
-0.568
|
-0.028
|
|
10
|
41.4~29.8
|
0.598120677
|
0.602719448
|
5000
|
14348.865
|
14233.740
|
14339.650
|
-0.802
|
-0.064
|
|
11
|
29.8~17.0
|
0.598120677
|
0.60387519
|
3000
|
11126.625
|
11025.407
|
11128.744
|
-0.910
|
0.019
|
|
12
|
17.0~8.6
|
0.598120677
|
0.605030932
|
1000
|
6434.631
|
6365.522
|
6437.481
|
-1.074
|
0.044
|
|
13
|
8.6~5.0
|
0.598120677
|
0.606186674
|
200
|
2884.741
|
2846.748
|
2884.428
|
-1.317
|
-0.011
|
|
14
|
5.0~4.44
|
0.598120677
|
0.60741465
|
100
|
2042.758
|
2012.955
|
2043.730
|
-1.459
|
0.048
|
说明：A----传统孔板流量计；B----SR一体化孔板流量计。
计算条件：ρ1 =3.68642 ；β=0.56868；D2 =128264.7001 ；t=270，Pg=0.78MPa
表2中流量理论值为相应差压下，按国家标准及国际标准(GB/T2624-93﹑ISO5167等)所给出的相应系数c、ε1、β计算公式迭代计算结果。标准GB/T2624-93详细规定了这些系数的使用限制条件和计算结果的不确定度，对于上例而言，如果
★使用的孔板节流孔径d20 = 202.806的加工精度Δd20/d20≤±0.07%、并按规程安装；
★直管段长度》10D，管径误差ΔD20/D20≤±0.4% ；
★t、Pg误差≤±0.5%；Δp测量误差≤±0.1% ；
★工作状态介质密度误差δρ(1)/ρ(1) ≤±0.5% ；
则表2中流量理论值的不确定度（与真实流量值误差）≤±0.70% 。
由表2可看出，传统孔板流量计数据处理方法的缺陷使得数模计算值与流量理论值的误差高达±1.5~2.0%，而且越是偏离设计点误差越大，那附加流量理论值的误差±0.70%后，与实际流量值的误差可达±2.5~3.0%左右；范围度大于4：1后不可预测。SR孔板流量计由于建模准确（误差可控，一般≤±0.05%）附加流量理论值的误差±0.70%后，与实际流量值的误差可控制在±0.75~0.8%左右。
2.2.2 过程变量的跟踪补偿
实际过程测量中，蒸汽状态参数不可能总是处于设计工作点，而是在一定幅度内波动；如此就带来问题；由于公式组中多个参数c、ε1、β、ρ(1)都是温度t、管压Pg的函数，若不能保证计算依据参数：t、Pg误差≤±0.5%；就难以保证系数c、ε1计算结果正确、工作状态介质密度误差δρ(f)/ρ(f) ≤±0.5%，流量理论值的不确定度就不能保证≤±0.70%，而以此建模的计算值的误差就不能保证≤±0.75~0.8%，测量结果也就失去可信性；计量将难以保证公正、客观。
一般SR孔板流量计测量蒸汽时，均配置测量精度≤±0.5%的温、压变送器跟踪介质状态变化，并根据参数的温压关系曲线族制成符合误差控制要求的多维数据表，实时调用补偿。特别需要说明的是由于蒸汽密度对状态变化非常敏感，密度计算误差与差压测量误差对流量值计算误差的贡献程度完全相同，因此密度补偿建模将在很大程度上决定流量计实流测量的准确度、可靠性。SR孔板流量计以国际水蒸气协会1963IFC公式为框架，结合1984水蒸气性质骨架表，形成了一套完整的密度补偿数据库，在整个工业蒸汽的常用范围内均能保证提取密度值δρ(f)/ρ(f)≤±0.5%。
表3给出了实例：当蒸汽状态由设计点变化到状态1时，流量计补偿对比计算结果。
表3
|
序
号
|
差压测量值
ΔP
|
设计点理论值qm0
|
设计点流量计算值qm1
|
设计点流量计算值误差%
|
偏离点理论值qm0
|
偏离点流量计算值qm1
|
流量计算值误差%
|
||||
A |
B |
A |
B |
|
A |
B |
A |
B |
|||
|
1
|
50000
|
44539.364
|
45011.037
|
44563.379
|
1.059
|
0.054
|
45548.196
|
45011.037
|
45569.630
|
-1.179
|
0.047
|
|
2
|
35000
|
37490.199
|
37658.935
|
37498.101
|
0.450
|
0.021
|
38334.096
|
37658.935
|
38344.817
|
-1.761
|
0.028
|
|
3
|
25000
|
31813.408
|
31827.609
|
31818.493
|
0.045
|
0.016
|
32526.533
|
31827.609
|
32536.962
|
-2.149
|
0.032
|
|
4
|
15000
|
24743.827
|
24653.560
|
24741.751
|
-0.365
|
-0.008
|
25296.112
|
24653.560
|
25300.425
|
-2.540
|
0.017
|
|
5
|
5000
|
14348.865
|
14233.740
|
14339.650
|
-0.802
|
-0.064
|
14667.615
|
14233.740
|
14663.443
|
-2.958
|
-0.028
|
|
6
|
3000
|
11126.625
|
11025.407
|
11128.744
|
-0.910
|
0.019
|
11373.482
|
11025.407
|
11380.034
|
-3.060
|
0.059
|
|
7
|
1000
|
6434.631
|
6365.522
|
6437.481
|
-1.074
|
0.044
|
6577.082
|
6365.522
|
6582.841
|
-3.217
|
0.088
|
|
8
|
200
|
2884.741
|
2846.748
|
2884.428
|
-1.317
|
-0.011
|
2948.372
|
2846.748
|
2949.559
|
-3.447
|
0.040
|
|
9
|
100
|
2042.758
|
2012.955
|
2043.730
|
-1.459
|
0.048
|
2087.718
|
2012.955
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2089.878
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-3.581
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0.103
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说明：A----传统孔板流量计不补偿；B----SR一体化孔板补偿。
计算条件：设计点；t=270，Pg=0.78Mpa，ρ1 =3.68642；μ=0.000018494 Pa S；k=1.298
β=0.56868 ；D2 =128264.7001
偏离点：t=250，Pg=0.80MPa，ρ1 =3.85478 ；μ=0.000018063 PaS；k=1.298
β=0.56866 ；D2 =128199.3484
由表3可看出，传统孔板流量计数据处理方法又不进行温压补偿时，数模计算值与流量理论值的误差高达-3.6%，而且越是偏离设计点误差越大，那附加流量理论值的误差±0.70%后，与实际流量值的误差可达±4.5~5.0%左右；SR孔板流量计附加流量理论值的误差±0.70%后，与实际流量值的误差仍可控制在±0.75~0.8%左右。
2.2.3 一体化结构
孔板的测量应用，从本质上说是依据相似理论，因此国家标准及国际标准(GB/T2624-93﹑ISO5167)对孔板安装提出了非常详尽的要求；以便保证实际测量时的管路条件，能够复现或相似当初形成标准数据的那些著名实验的情况。只有在这种情况下，那些统计形成的公式、以及利用公式计算所得数据才允许被采用。任何不规范的安装或偏心首先就已经从根本上失去了使用的前提，更无从谈精度了。基于对现场安装重要性的认识，SR孔板采用了一体化结构，并匹配专用夹装法兰，这样就使得安装不再象传统孔板那样烦琐并大大提高了安装的可靠性。另外要求一体化孔板结构均需经过严格的出厂检验，保证零泄露。-----泄露：不仅意味着能量的损失，而且往往是计量偏小的罪魁。
3、结论
从以上的实测结果表明SR一体化孔板流量计具有1：20量程比，基本误差在±1.0%。
我厂-厦门电厂地处在厦门杏林台商开发区，从二十世纪90年代就开始就发展对外供热，提供过热蒸汽给周边的工厂企业，目前对外供热量为120t/h左右，因此对蒸气流量计量要求准确、可靠，以便进行贸易结算。据此我们选用了SR(Ⅲ)型流量计，自2000年使用至今流量计准确、可靠。