利用常壓氣體作為流動(dòng)介質(zhì)，以流出系數(shù)平均相對(duì)誤差、線性度和不確定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)實(shí)流實(shí)驗(yàn)，研究上游組合管件對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量性能的影響。根據(jù)不同的上游阻流件對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行了實(shí)流實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為保證相對(duì)誤差在可接受范圍，給出對(duì)于不同形式的上游組合管件孔板流量計(jì)對(duì)前直管段長(zhǎng)度的建議。

0.引言

根據(jù)海洋平臺(tái)上特有的工藝處理模式和安裝習(xí)慣，本文分別對(duì)中海油 2006 年以后投產(chǎn)的 9 個(gè)新建海洋平臺(tái) JZ25-1 CEP、JZ25-1S CEP、JZ25-1S WHPB、BZ26-3WHPA、BZ26-3  WHPB、SZ36-1  CEPK、JX1-1  CEPA、BZ19-4 WHPB、LD32-2 PSP 的三維模型進(jìn)行了流量計(jì)安裝上游的管件形式的整理，發(fā)現(xiàn)在上述平臺(tái)上孔板流量計(jì)用于對(duì)天然氣的計(jì)量占 76% ，少數(shù)是用于對(duì)消防水和回注水的計(jì)量?？偨Y(jié)出 4 種常見(jiàn)的組合阻流件形式，開(kāi)展上游組合管件對(duì)孔板流量計(jì)性能影響的研究，主要包括球閥 + 90°彎頭、球閥 + 90°彎頭 + 漸縮管 + 90°彎頭、球閥 + 90°彎頭 + 漸縮管、球閥 + 漸縮管。

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

如圖 1 所示為本文實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置，此實(shí)驗(yàn)裝置為天津大學(xué)過(guò)程檢測(cè)和控制實(shí)驗(yàn)室的高精度常壓氣體流量實(shí)驗(yàn)裝置。圖中的風(fēng)機(jī)通過(guò)外部的變頻器裝置不斷地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，從管道入口抽取空氣，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的空氣流體，通過(guò)穩(wěn)壓罐來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖中的渦輪流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表，空氣流體通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)，可以測(cè)得空氣流體的標(biāo)準(zhǔn)流量。當(dāng)空氣流體通過(guò)孔板流量計(jì)時(shí)，在流量計(jì)的上游和下游會(huì)產(chǎn)生壓差，這種壓差可以經(jīng)過(guò)高精度的差壓變送器檢測(cè)并轉(zhuǎn)化成4 ～ 20 mA 信號(hào)，然后通過(guò) 16 位的 A / D 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，穩(wěn)壓罐上的溫度傳感器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)，送到16 位的模擬量信號(hào)采集卡 A / D 芯片進(jìn)行處理; 同時(shí)模擬量信號(hào)采集卡 A / D 芯片還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的頻率進(jìn)行采集。在計(jì)算機(jī)中安裝實(shí)驗(yàn)標(biāo)定系統(tǒng)軟件，該軟件是用

VB 進(jìn)行編寫(xiě)的，支持多線程實(shí)時(shí)通信，通過(guò)這種軟件，可以在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)的顯示與分析。

下面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中用到的儀器設(shè)備的性能參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明:

標(biāo)準(zhǔn)表采用天津的華水渦輪流量計(jì)，測(cè)量范圍在25 ～ 1 400 m3 / h 之間，精度為 0． 5% ，重復(fù)性為 0． 06% ; 溫度傳感器采用的是昆侖海岸溫度傳感器，精度為0． 1% ; 壓力傳感器為 ＲOSEMOUNT 3051 型號(hào)，精度為0． 075% ; 差壓變送器為日本橫河的 EJA110A，可測(cè)量的差壓范圍為 0 ～ 10 kPa，精度為 0． 075% ; 模擬量信號(hào)采集卡采用的是研華 PCI-1716，精度為 16 位。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇了 DN100 孔板流量計(jì)。

2.阻流件對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量精度影響的實(shí)驗(yàn)研究

2． 1  孔板流量計(jì)的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

用于孔板流量計(jì)的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的前直管段長(zhǎng) 50D，后直管段長(zhǎng) 10D，管道內(nèi)流體流動(dòng)為充分發(fā)展的湍流狀態(tài) 。前期大量文獻(xiàn)表明 前直管段長(zhǎng)度達(dá)到 50D 時(shí)，可以認(rèn)為流場(chǎng)已經(jīng)充分發(fā)展; 同時(shí)，后直管段達(dá)到 10D，不會(huì)影響孔板流量計(jì)流出系數(shù)。阻流件實(shí)驗(yàn)均按照前直管段 50D，后直管段 10D 的直管段為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而得到流出系數(shù)和流出系數(shù)相對(duì)誤差的變化情況。

2． 2 上游阻流件對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量精度影響的實(shí)驗(yàn)研究

2． 2． 1 上游阻流件類(lèi)型—DN100 球閥 + DN100 單彎頭的實(shí)驗(yàn)研究

上游阻流件類(lèi)型為 DN100 球閥 + DN100 單彎頭的雷諾數(shù)-流出系數(shù)曲線圖如圖 2 所示，從圖中可以看出，前直管段長(zhǎng)度為 50D、30D 的流出系數(shù)與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)極為接近，從 10D 開(kāi)始，隨著前直管段長(zhǎng)度的縮短，流出系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。

從表 1 可以看出，相對(duì)于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，前直管段長(zhǎng)度為 50D 和 30D 時(shí)平均相對(duì)誤差為正值，其他工況下為負(fù)值; 比較而言，50D 較 30D 的平均相對(duì)誤差略大，但量值僅差 0． 06% ; 從 30D 開(kāi)始，隨著直管段長(zhǎng)度的縮短，流出系數(shù)的相對(duì)誤差呈遞增趨勢(shì)，此變化趨勢(shì)也可見(jiàn)圖 3 所示。

2． 2． 2 上游阻流件類(lèi)型—DN150 球閥 + DN150 變 DN100 漸縮管的實(shí)驗(yàn)研究

阻流件類(lèi)型為 DN150 球閥 + DN150 變 DN100 漸縮管的雷諾數(shù)-流出系數(shù)曲線圖如圖 4 所示，從圖中可以看出，隨著前直管段長(zhǎng)度的縮短，流出系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。

從表 2 可以看出，相對(duì)于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，前直管段長(zhǎng)度為 30D、10D 的平均相對(duì)誤差為正值，前直管段長(zhǎng)度為4D 的平均相對(duì)誤差為負(fù)值; 從值上看，前直管段長(zhǎng)度為 4D 時(shí)相對(duì)誤差***大，此變化趨勢(shì)也可見(jiàn)圖 5所示。

2． 2． 3   上游阻流件類(lèi)型—DN150 球閥 + 90° 單彎頭+ DN150變 D100 漸縮管的實(shí)驗(yàn)研究

阻流件類(lèi)型為 DN150 球閥 + 90°單彎頭 + DN150變 DN100 漸縮管的雷諾數(shù)-流出系數(shù)曲線圖如圖 6 所示，從圖中可以看出，隨著前直管段長(zhǎng)度的縮短，流出系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。

從表 3 可以看出，相對(duì)于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，前直管段長(zhǎng)度為 50D 和 30D 時(shí)平均相對(duì)誤差為正值，其他工況下為負(fù)值; 前 50D 與前 30D 的平均相對(duì)誤差較為接近，從前 30D 開(kāi)始，縮短前直管段，平均相對(duì)誤差呈增大趨勢(shì)，此趨勢(shì)也可見(jiàn)圖 7 所示。

2.2.4阻流件類(lèi)型—DN150 球閥 + 90°單彎頭 + DN150變 DN100 漸縮管 + 90°單彎頭的實(shí)驗(yàn)研究

阻流件類(lèi)型為 DN150 球閥 + 90°單彎頭 + DN150變 DN100 漸縮管 + 90°單彎頭的雷諾數(shù)-流出系數(shù)曲線圖如圖 8 所示，從圖中可以看出，隨著前直管段長(zhǎng)度的縮短，流出系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。

DN100 漸縮管 + 90°單彎頭的雷諾數(shù)-流出系數(shù)曲線

從表 4 可以看出，相對(duì)于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，前直管段長(zhǎng)度為 50D 和 30D 時(shí)平均相對(duì)誤差為正值，其他工況下為負(fù)值; 前直管段長(zhǎng)度為 50D 與 30D 的平均相對(duì)誤差較為接近，從前 30D 開(kāi)始，縮短前直管段，平均相對(duì)誤差整體呈增大趨勢(shì)，此趨勢(shì)也可見(jiàn)圖 9 所示。

3.結(jié)論

安裝條件的不同對(duì)孔板流量計(jì)有著很大的影響，根據(jù)不同的安裝條件，對(duì)孔板流量計(jì)的測(cè)量精度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn):

1)  當(dāng)孔板流量計(jì)上游存在阻流件時(shí)，對(duì)于不同形式的阻流件，當(dāng)后直管段長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著前直管段長(zhǎng)度變短，流出系數(shù)相對(duì)誤差隨之變大。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，討論的 4 種組合式阻流件情況所需的前直管段長(zhǎng)度均比 ISO5167 中規(guī)定的前直管段長(zhǎng)度短。說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的比實(shí)際應(yīng)用時(shí)更嚴(yán)格苛刻，而有了本文的研究數(shù)據(jù)作支撐，以后在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)可以適當(dāng)減小前直管段長(zhǎng)度，既保證了精度也節(jié)省了空間。