標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算和應(yīng)用

張俊杰 龐寶新

（上?？蒲罂萍及l(fā)展有限公司，上海 200120）

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量物料的流量測(cè)量仍采用節(jié)流裝置作為檢測(cè)元件。節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算是確定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置規(guī)格和變送器規(guī)格的重要內(nèi)容。國內(nèi)一些單位仍采用GB/T 2624-1993的有關(guān)計(jì)算公式和程序，還有一些單位的程序中將GB/T 2624-1993和GB/T 2624-2006的有關(guān)公式混用，造成計(jì)算誤差。為此，本文介紹根據(jù)GB/T 2624-2006的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算和應(yīng)用。

1 程序設(shè)計(jì)要求

根據(jù)應(yīng)用要求，對(duì)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算程序提出如下設(shè)計(jì)原則：

(1)高精度：應(yīng)獲得高精度的計(jì)算結(jié)果。

(2)經(jīng)濟(jì)性：提高運(yùn)行速度。

(3)易操作性：容易操作和實(shí)現(xiàn)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化：符合管道標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的一般計(jì)算公式如下：

考慮到MATLAB語言具有Solve等符號(hào)函數(shù)，可方便地求解方程，而節(jié)流裝置傳統(tǒng)求解過程需要迭代運(yùn)算，影響運(yùn)算速度。因此，選用MATLAB編程語言編寫程序。

選用MATLAB編程語言的其他原因如下：

(1)高精度計(jì)算的考慮。MATLAB編程語言可提供有效數(shù)字的位數(shù)高達(dá)16位。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算中可不考慮計(jì)算引入的誤差。實(shí)際顯示數(shù)據(jù)可取位數(shù)小于16位。

(2)易操作性考慮。為便于操作，應(yīng)考慮下列可操作性。

1）可方便地提供各種工程單位的換算。例如，壓力單位可選Pa、kPa、MPa、kgf/cm2、bar、lb/in2、mmHg和mmH2O等，流量單位可選質(zhì)量流量的kg/s、kg/h、t/h、lb/h、lb/s和體積流量的m3/s、m3/h、ft3/h和ft3/s等，其他物性數(shù)據(jù)也可有多種工程單位可選。

2）提供各種類型的選擇。例如，選用角接取壓、法蘭取壓和D-D/2取壓等不同的孔板取壓方式；選用ISA1932噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴和文丘利噴嘴等不同的噴嘴類型；選用不同的粗鑄收縮段、機(jī)械加工收縮段、粗焊鐵板收縮段等不同制造方法的經(jīng)典文丘里管等。

3）提供非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。例如，應(yīng)提供1/4圓缺孔板、錐形入口孔板、偏心孔板和雙重孔板等節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。

4）提供可修改輸入數(shù)據(jù)的方法。例如，當(dāng)多個(gè)同類型流體數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，不需要重復(fù)輸入其物性數(shù)據(jù)；當(dāng)永久壓損過大時(shí)，可只修改直徑比初始值，以降低壓損等。

5）提供測(cè)量方案的簡(jiǎn)圖。為了解該測(cè)量方案的情況，應(yīng)提供不同取壓方式、不同噴嘴類型等情況下的安裝簡(jiǎn)圖。

6）考慮節(jié)能，應(yīng)提供永久壓損數(shù)據(jù)。

7）為確定誤差大小，應(yīng)提供至少5點(diǎn)不同流量下對(duì)應(yīng)差壓的數(shù)據(jù)。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化考慮。應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)系列選用差壓變送器最大差壓值。

2 徑比設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)

表 孔板等部分節(jié)流裝置流出系數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式和可膨脹系數(shù)

根據(jù)GB/T2624-2006的有關(guān)公式，孔板等部分節(jié)流裝置流出系數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算公式如表所示。表中還提供相應(yīng)節(jié)流裝置的可膨脹系數(shù)計(jì)算公式。

3 節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算程序框圖

MATLAB編程語言工具箱中提供大量的函數(shù)，可方便地進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。

設(shè)計(jì)計(jì)算節(jié)流裝置的程序框圖見圖1。圖中有關(guān)內(nèi)容說明如下：

(1)輸入數(shù)據(jù)：不同節(jié)流裝置的輸入數(shù)據(jù)內(nèi)容不同。以孔板為例，輸入數(shù)據(jù)如下：工程名稱和儀表位號(hào)、流體介質(zhì)名稱、流體類型、流體最大刻度流量（體積流量或質(zhì)量流量）q、工況下的管道內(nèi)徑d（或管道外徑和壁厚）、工況溫度t、管道和節(jié)流件材質(zhì)、工況壓力p1、工況下流體密度ρ、工況下流體動(dòng)力粘度μ、系統(tǒng)允許壓降Δp、工況下氣體等熵指數(shù)κ（當(dāng)被測(cè)量流體為氣體或蒸汽時(shí)）、初選直徑比β0和取壓方式。

(2)工程單位可選：根據(jù)項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)可選用合適的工程單位。例如，流量項(xiàng)有可選工程單位9項(xiàng)，粘度項(xiàng)有可選工程單位7項(xiàng)。

(3)取壓方式可選：可根據(jù)應(yīng)用中的取壓方式確定選用何種方式取壓。

(4)考慮管道材料和孔板材料的多樣性，提供了十九種不同類型材質(zhì)的線膨脹系數(shù)，可方便地根據(jù)工況溫度確定工況下的管道內(nèi)徑。計(jì)算結(jié)果可計(jì)算出20℃下的節(jié)流孔徑。

圖1 節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算程序框圖

4 節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算畫面

調(diào)用孔板節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算程序后，顯示圖2所示畫面。

圖2 計(jì)算孔板節(jié)流裝置直徑比的初始畫面

輸入有關(guān)數(shù)據(jù)，并點(diǎn)擊圖中的確認(rèn)鍵，程序?qū)⒏鶕?jù)圖1的計(jì)算框圖進(jìn)行計(jì)算，并修改為圖3所示的計(jì)算結(jié)果畫面。

用戶可方便地修改其中各參數(shù)，并點(diǎn)擊修改鍵，用于對(duì)參數(shù)的修改。也可點(diǎn)擊重算鍵，對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行修改和重算。整個(gè)畫面可隨意縮放，數(shù)據(jù)輸入十分方便。

圖3 孔板節(jié)流裝置計(jì)算結(jié)果畫面

計(jì)算結(jié)果包括：管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)、流出系數(shù)、流速、最大計(jì)算壓降、選用的系列差壓值、選用的直徑比、節(jié)流孔直徑。此外，還提供5個(gè)流量下的差壓值（根據(jù)不同流體流量下流出系數(shù)不同而計(jì)算，可確定其誤差）。永久壓損根據(jù)GB/T 2624-2006的兩個(gè)計(jì)算公式計(jì)算。

此外，計(jì)算結(jié)果提供差壓與流量之間的關(guān)系曲線和安裝節(jié)流裝置時(shí)的基本數(shù)據(jù)。

類似地，可調(diào)用噴嘴程序等。圖4是用于噴嘴節(jié)流裝置設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果畫面。

圖4 噴嘴節(jié)流裝置計(jì)算結(jié)果畫面

[1] 孫淮清, 王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] GB/T 2624.2 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量 第2部分：孔板. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 2006.

[3] GB/T 2624.3 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量 第3部分：噴嘴和文丘里噴嘴. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2006.

[4] 李文, 張皓, 付榮申. 一種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算方法[J]. 石油化工自動(dòng)化，2010(5): 19.