摘要：針對流量計在測量氣體和蒸汽流量時需對溫度、壓力補償?shù)膯栴}，根據(jù)各流量計的測量原理不同，選擇合適的測溫點和測壓點位置對測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。分析了幾種流量計溫度、壓力補償?shù)哪康囊约皽囟取毫?shù)的測量要求，提出了測溫口、測壓口開口位置的合理選擇。提供了利用焦耳－湯姆遜系數(shù)計算上下游溫差的實例。
不同原理的流量計,流體溫度和壓力的變化對測量結(jié)果的影響各不相同,因此在測得流體的溫度和壓力后,要按規(guī)定的關(guān)系式進行補償。流體在管道內(nèi)流動,由于流量傳感器、各種阻流件的影響,在管道的不同部位測得的溫度和壓力值也會有很大差異,因此用作流量測量溫，度壓力補償?shù)臏y量點的位置也有明確規(guī)定,不能隨意確定。
下面以幾種典型流量計為例，論述流量測量中溫度壓力檢測點設(shè)計中的有關(guān)問題。
1渦街流量計溫度壓力測點的設(shè)計
1.1 渦街流量計工作原理
在流體流動的管道中設(shè)置1個旋渦發(fā)生體(阻流件),于是在發(fā)生體下游就會交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,這種旋渦稱為卡曼渦街，該旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流速成正比關(guān)系。由于旋渦流量傳感器的流通截面積是1個常數(shù),因此旋渦的頻率與流過發(fā)生體的流體體積流量成正比1-2]，如式（1）所示：
式中:qvf--旋渦發(fā)生體出口的工況體積流量，m3 /h;?--旋渦頻率,P/s;Kt--工作狀態(tài)下流量系數(shù),1/m3。
1.2溫度壓力補償?shù)哪康?br />
1.2.1 氣體流量測量的溫度壓力補償
在氣體流量測量中,測得工作狀態(tài)體積流量不是最終目的，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量才是最終目標(biāo)。由工作狀態(tài)體積流量到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量的換算，一般在流量演算器中完成,其依據(jù)如式(2)[3]:
式中: qvt--工況條件下的體積流量，m3/h;qvn--標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量,m3/h;pf,pn--工作狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體絕對靜壓，MPa, pn=0.101 325 MPa;Tf,Tn--工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體熱力學(xué)溫度,K,Tn= 293.15 K;Zf,Zn- -工況條件下、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)。
在式(2)中,Zf和Zn一般由流量演算器按設(shè)計 好的程序自動計算得到[4],qv由式(1)計算得到，而pf和Tf則必須經(jīng)實測得到。
1.2.2蒸汽流量測量的溫度壓力補償
在蒸汽流量測量中，雖然也有溫度壓力補償，但補償?shù)囊饬x與式(2)完全不同[3]
用渦街流量計測量蒸汽流量的系統(tǒng)中，測量的目的是得到蒸汽質(zhì)量流量值,如式(3)所示:
式中: q,m質(zhì)量流量,kg/h;ρf一工況條件下的旋渦發(fā)生體出口蒸汽密度,kg/m3,可通過查蒸汽密度表得到
1)對于過熱蒸汽，可由流量演算器按式(4)自動查蒸汽密度表得到:
由于蒸汽的狀態(tài)隨溫度壓力參數(shù)而變化,因此有些蒸汽流量計安裝地點的蒸汽狀態(tài)難以確定,有時處于過熱狀態(tài),有時處于飽和狀態(tài)。白天管道內(nèi)流速高,處于過熱狀態(tài);夜間管道內(nèi)流速低,進入飽和狀態(tài)。這時,應(yīng)對其溫度壓力都進行測量,由流量演算器自動判斷，如果處于過熱狀態(tài)，則儀表自動轉(zhuǎn)向根據(jù)式(4)查過熱蒸汽密度表;如果已進入飽和區(qū)間，則儀表自動轉(zhuǎn)向按式(5)查飽和蒸汽密度表。
利用蒸汽的溫度壓力參數(shù)自動判斷蒸汽處于過熱狀態(tài)還是飽和狀態(tài),原理如圖1所示[3]。關(guān)鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線的下方還是上方，如果落在下方，則為過熱狀態(tài);如果落在上方，則為飽和狀態(tài)。
在這種情況下,一般壓力測量精度高,查表得到的密度值的精度也比較高,因此通常采用式(5)求取密度,式(6)一般不采用。
1.3溫度壓力測量點位置的選取
氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過渦街流量傳感器時,都會產(chǎn)生一定的壓降。因此,在管道上不同位置開口測流體的絕對靜壓,得到的結(jié)果也不同。在旋渦發(fā)生體上游處，靜壓最高;在旋渦發(fā)生體流速最高處,靜壓最低,再往下游,靜壓會有少許恢復(fù)。
旋渦發(fā)生體前后的永久性壓降，計算公式如式(7)所示:
式中:△p-旋渦發(fā)生體前后壓降,Pa;?--介質(zhì)流速,m/s.
以旋渦流量計為例,不同型號流量儀用于溫度壓力補償?shù)臏囟葔毫y量點的安裝位置有不同的要求。壓力測點到旋渦發(fā)生體的上限距離與下限距離有很大差異。從3.5D~5.5D到3.5D~ 7.5D,使設(shè)計人員犯難,因此研究該距離對儀表的準(zhǔn)確安裝有重要意義。
仔細(xì)研究橫河渦街產(chǎn)品的發(fā)展歷史,在*CD型儀表發(fā)展階段，渦街流量計最小通徑只能做到DN25,對于DN25渦街產(chǎn)品,5.5D即為138 mm,在法蘭下游的管道上開取壓口,在工程上還是可行的。但到了*D型儀表發(fā)展階段,最小通徑可達到DN15，同樣是5.5D，但對應(yīng)的尺寸變?yōu)?3 mm,要在如此短的距離上開取壓口,需要放寬距離以滿足工程中的需求。無論哪種情況,實際上兩者本質(zhì)上是一致的。
2差壓流量計溫度壓力測點位置的設(shè)計
差壓式流量計的種類很多，下面以使用最多的標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計為例，說明溫度壓力測點位置的設(shè)計
2.1差壓流量計工作原理
差壓流量計工作原理如式(8)所示:
式中: C———流出系數(shù);β———直徑比，β= d/D;D———管道內(nèi)徑,m;d--工作條件下節(jié)流件的開孔直徑,m;ε1一-節(jié)流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數(shù);ρ1一節(jié)流件正端取壓口平面上的流體密度,kg/m3。
差壓流量計的本質(zhì)是質(zhì)量流量計，在式(8)中,沒有出現(xiàn)溫度和壓力這兩個變量,但應(yīng)用這種流量計測量氣體和蒸汽的流量時，流體溫度和壓力的變化，會使式中的密度ρ1產(chǎn)生變化,進而影響流量示值。
對于組分穩(wěn)定的氣體,可用式(9)計算:
式中:p1--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體壓力，MPa; pn--氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，取值為0.101 325 MPa;Tf1--節(jié)流件正端取壓口平面上的流體溫度，K; Z f1一工作狀態(tài)下氣體壓縮系數(shù),純數(shù);Pn標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流體密度,kg/ m3。
對蒸汽來說,可用式(10)由流量演算器自動查表的方法得到ρ1[5]
毫無疑問，式(9)和式(10)都表明，壓力取自正端取壓口,在具體實施時也比較方便,難的是正端取壓口處的流體溫度的測量。
該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定,一般可以假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想流體,而又需要計量準(zhǔn)確，且上游取壓口和一次裝置下游測溫處又存在較大的壓力損失，則假設(shè)兩點之間是等焓膨脹,必須根據(jù)下游溫度計算上游溫度。對于孔板計算時，應(yīng)根據(jù)下式計算壓力損失Δ?。
式中: T--絕對(熱力學(xué))溫度;p--流經(jīng)管道的流體靜壓; H--焓; Ro--通用氣體常數(shù);Cm,P --定壓摩爾比熱容;Z--壓縮系數(shù)。
3渦輪流量計溫度壓力測點的設(shè)計
渦輪流量計用來測量氣體流量時,也需要進行溫度壓力補償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量.
3渦輪流量計溫度壓力測點的設(shè)計
渦輪流量計用來測量氣體流量時,也需要進行溫度壓力補償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量。
該換算所依據(jù)的公式與式(2)相同,但是由于測量原理的不同，測壓點的位置有很大的差別。GB/T 21391- 2008《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》給出了渦輪流量計在管道上典型的安裝圖[9]]。同時在文字描述中規(guī)定,渦輪葉輪處的靜壓測壓口至少要有1個，孔徑范圍在3~ 12 mm。該標(biāo)準(zhǔn)同時規(guī)定,溫度傳感器應(yīng)安裝在葉輪的下游端，其離葉輪的距離應(yīng)小于5D,伸入管道公稱通徑約33%處,但長度不能超過150 mm。
4結(jié)束語
1)用來測量氣體和蒸汽流量的流量計,除了個別的流量計之外，都需進行流體溫度、壓力補償。由于流體種類的不同,補償?shù)哪康囊膊槐M相同;由于溫度和壓力的變化,對不同原理流量計的影響不相同,因此測溫點和測壓點位置也有不同的要求,只有合理地確定這些位置,才有可能準(zhǔn)確地補償。
2)渦街流量計用于溫度壓力補償?shù)臏y壓口，宜選在旋渦發(fā)生體下游的直管段上，應(yīng)盡可能靠近流量計,但應(yīng)便于施工和維修(不能選在旋渦體上游的直管段上)。測溫口應(yīng)選在測壓口下游150~200 mm處。
3)差壓流量計用于溫度壓力補償?shù)臏y壓點，應(yīng)選在差壓正端取壓口處;測溫點一般選在差壓裝置下游5D~15D處,并假設(shè)差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。如果是非理想氣體，而又需要計量正確，且上游取壓口和差壓裝置下游測溫處又存在較大的壓力損失，則可采用焦耳一湯姆遜系數(shù)計算.上游取壓口到下游溫口處的相應(yīng)溫差△T。
4)基于絕熱膨脹等焓變化的原理,利用蒸汽性質(zhì)表,可方便地求取適用于蒸汽的焦耳一湯姆遜系數(shù)。
5)渦輪流量計用于溫度壓力補償?shù)臏y壓點，宜設(shè)在渦輪葉輪前取壓口處;測溫口應(yīng)選在葉輪下游段,離葉輪的距離應(yīng)小于5D。
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