天然氣流量計測量原理(lǐ)及其計算(suàn)公式

天然氣孔闆流量計對(duì)于測量氣體來(lái)講，差壓式流量計是一類應用(yòng)最廣泛的(de)流量計，在各類流量儀表中其使用(yòng)量占居首位。近年來(lái)，由于各種新型流量計的(de)問世，它的(de)使用(yòng)量百分(fēn)數逐漸下(xià)降，但目前仍是最重要的(de)一類流量計。差壓式流量計是根據安裝于管道中标準孔闆産生的(de)差壓，已知的(de)流體條件和(hé)标準孔闆與管道的(de)幾何尺寸來(lái)計算(suàn)流量的(de)儀表。差壓式流量計由一次裝置（标準孔闆流量計）和(hé)二次裝置（差壓變送器、配電器、控制器和(hé)流量計算(suàn)機）組成。

①力矩分(fēn)析

作用(yòng)在渦輪上的(de)力矩有:

a.流體流過渦輪時(shí)對(duì)葉片産生的(de)轉動力矩Tr，它是主動力矩。

b.渦輪軸與軸承之間摩擦産生的(de)機械摩擦力矩Trm 。

c.流體流經渦輪時(shí)對(duì)渦輪産生的(de)流動阻力力矩Trf。

d.電磁轉換器對(duì)渦輪産生的(de)電磁阻力力矩Tre。

因此，渦輪的(de)旋轉角速度。可(kě)表示爲:

  式中，J是渦輪的(de)轉動慣量。一般情況下(xià)，電磁阻力力矩Tre很小。渦輪以恒定的(de)旋車轉角速度旋轉，因此，旋轉角速度w對(duì)時(shí)間的(de)微分(fēn)爲零。即有:

  O=Tr-Trm-Trf

    如圖所示，旋翼的(de)導流片與軸線之間夾角爲θ，流體的(de)入口和(hé)出口流速爲u1和(hé)u2。它們與圓周方向的(de)夾角分(fēn)别是α1和(hé)α2。流體對(duì)旋翼作用(yòng)産生的(de)旋轉力是圓周方向的(de)。根據動量原理(lǐ)，其圓周方向的(de)力fr等于單位質量流體量在圓周方向的(de)動量變化(huà)，即:

                            fr=gvρ(u1cosα1-u1cosα2)                                     

式中，qv和(hé)ρ是流體的(de)體積流量和(hé)密度。

因入口和(hé)出口圓周運動速度相等，有:ur1=ur2=ur=wr。

流體離開葉片的(de)相對(duì)速度與圓周運動方向夾角等于葉片傾角θ，因此，有:β2 =90°-θ。

因流體流速的(de)軸向分(fēn)量沒有變化(huà)，有:u1=u2sinα2

經化(huà)簡，得(de)：fr=qvρ(u1tanθ-wr)。因此，主推力力矩爲：Tr=frr=rqvρ(u1tanθ-wr)

考慮u1-qv/A。 A是流通(tōng)截面積。則有：

用(yòng)儀表系數K表示，即：

式中，z是渦輪葉片數;f是渦輪産生的(de)脈沖率。

根據上述，有下(xià)列結論:

a.當與Tr比較，Trm,和(hé)Trf可(kě)忽略時(shí)，即可(kě)近似認爲它們的(de)值爲零，這(zhè)時(shí)，天然氣流量計的(de)體積流量qv與渦輪産生的(de)脈沖頻(pín)率了(le)成正比。

葉片數Z增加，則K增加，同樣脈沖頻(pín)率下(xià)流體體積流量減小，換言之，同樣體積流量時(shí)的(de)脈沖數增加。

傾角θ增加，則K增加，同樣脈沖頻(pín)率下(xià)流體體積流量減小，換言之，同樣體積流量時(shí)的(de)脈沖數增加。

葉片半徑r減小或流通(tōng)截面積A減小，則K增加，同樣體積流量時(shí)的(de)脈沖數增加。

考慮實際應用(yòng)時(shí)，渦輪需要先克服靜摩擦力矩後才能轉動，因此，Trm不爲零.仍假設流體阻力力矩Trf忽略。則剛開始旋轉時(shí)的(de)流量稱爲始動流量，這(zhè)時(shí)，輸出脈沖頻(pín)率仍爲零，即有：

因此，始動流量qvmin爲：

始動流量與渦輪軸與軸承之間摩擦産生的(de)機械摩擦力矩Trm有關，該力矩大(dà)則始動流量也(yě)大(dà)。

傾角θ增加，從上式可(kě)知，一方面它使始動流量減小;另一方面，它增加了(le)機械摩擦力矩，使始動流量增大(dà)。因此，傾角θ有一個(gè)優化(huà)值。

葉片半徑r增大(dà)或流通(tōng)截面積A減小，可(kě)減小始動流量。但也(yě)對(duì)儀表系數K有影(yǐng)響。

流體密度大(dà)，則始動流量小。因此，當流體溫度變化(huà)引起其密度變化(huà)時(shí)，始動流量變化(huà)。

當流體流量大(dà)于始動流量後，流體主推力力矩主要克服流體阻力力矩，可(kě)忽略動摩擦力矩。因此，可(kě)根據流體流動狀态進行分(fēn)析。

層流流動。流體層流流動的(de)阻力力矩可(kě)表示爲流體體積流量的(de)線性函數:Trf=C2μqv

式中，C1是阻力系數;μ是流體黏度。

紊流流動。流體紊流流動的(de)阻力力矩可(kě)表示爲流體體積流量的(de)二次方函數:Trf=C2ρqv

式中，C2是阻力系數。ρ是流體密度。

儀表系數K。根據上述，繪制如圖所示儀表系數與流體流量之間的(de)關系曲線。

從圖可(kě)見。

A處的(de)流率對(duì)應于始動流率。b-d段的(de)流動狀态處于層流狀态,c和(hé)d分(fēn)别對(duì)應線性最小和(hé)最大(dà)流率。e是誤差範圍.天然氣流量計的(de)範圍度可(kě)達20:1或更高(gāo)。

通(tōng)常，流體流率大(dà)于c點流率就進人(rén)線性操作區(qū)，即可(kě)認爲K是常數。

圖中，根據伯努利方程确定差壓△p，它随流量的(de)增加而以其平方關系變化(huà)。

②流體性能的(de)影(yǐng)響

a.流體黏度的(de)影(yǐng)響。天然氣流量計的(de)重要特性是它的(de)高(gāo)複現性，典型值可(kě)達0.02%，而精度達0.25級。根據式(2-102)，流體黏度對(duì)儀表系數有影(yǐng)響，因此，對(duì)高(gāo)黏度流體，例如，石油化(huà)工的(de)流體結算(suàn)，應考慮黏度的(de)影(yǐng)響。

平直葉片.圖2-51(a)是平直葉片時(shí)，流體黏度對(duì)儀表系數的(de)影(yǐng)響.可(kě)以看到，随黏度的(de)增加，靜摩擦力矩增加。因此，層流區(qū)段增大(dà)，線性範圍區(qū)段減小，儀表系數也(yě)有所提高(gāo)。

螺旋葉片.圖2-51(b)是螺旋葉片時(shí)，流體黏度對(duì)儀表系數的(de)影(yǐng)響。可(kě)以看到，随黏度的(de)增加，靜摩擦力矩增加不明(míng)顯，因此，層流區(qū)段增大(dà)不多(duō)，線性範圍區(qū)段減小較少，而儀表系數可(kě)基本保持不變。

儀表口徑。通(tōng)常，儀表口徑越小(<50mm)，它受流體黏度的(de)影(yǐng)響越大(dà)。

流體密度的(de)影(yǐng)響。流體密度對(duì)儀表系數有影(yǐng)響。

氣體密度的(de)影(yǐng)響。氣體密度随溫度壓力變化(huà)而變化(huà)，由于其值是液體密度的(de)千分(fēn)之幾，因此，爲獲得(de)同樣的(de)轉動力矩，氣體的(de)流速要增大(dà)幾十倍.這(zhè)就造成軸承摩擦力矩随位用(yòng)時(shí)間的(de)增加而激烈增大(dà)。爲此，除了(le)要進行密度補償外，設計時(shí)氣體天然氣流量計的(de)傾角要小些，以降低葉輪旋轉速度。

③其他(tā)影(yǐng)響

流體流動狀态的(de)影(yǐng)響。流體進入流量計的(de)流動狀态影(yǐng)響儀表系數。爲此，應有足夠直管段長(cháng)度，以使流體充分(fēn)發展，消除進口處流體流速分(fēn)布的(de)不均勻和(hé)不穩定。

安裝方式的(de)影(yǐng)響。水(shuǐ)平和(hé)垂直方向的(de)安裝會影(yǐng)響流量計的(de)儀表系數。要求現場(chǎng)安裝方式與标定時(shí)安裝方式一緻，安裝偏差不超過5°。

④天然氣流量計的(de)壓損

    天然氣流量計的(de)壓權來(lái)自渦輪轉子對(duì)流體動能産生的(de)機械阻力和(hé)流體a滞引起的(de)黏滞阻力。轉速越高(gāo)，機械阻力越大(dà);流體黏度越大(dà)，黏滞阻力越大(dà)。根據伯努利方程可(kě)知，天然氣流量計的(de)壓損與流體在葉片前平均流速的(de)平方成正比，與流體密度成正比。

⑤天然氣流量計結構參數對(duì)性能的(de)影(yǐng)響

    a.葉片平均傾角θ。傾角θ小，同樣大(dà)小流量下(xià)，葉輪轉速提高(gāo)，儀表靈敏度提高(gāo)。但轉速提高(gāo)使軸承磨損增大(dà)，使用(yòng)壽命縮短.通(tōng)常對(duì)液體，傾角爲30°-45°。氣體爲10°-150°。

    b.葉片數Z。葉片數Z增加，摩擦阻力矩增大(dà)，葉輪慣性力矩也(yě)增大(dà);同時(shí)，Z的(de)增加使儀表讀數準确度提高(gāo)。一般D=10mm, Z=2; D=15mm, Z=3; 25mm≤D<50mm,Z=6;50mm≤D<100mm，Z=8;D≥100mm, Z=100。

    c.葉輪頂徑與流量計導管内壁間隙δ.間隙δ過大(dà)，流體動能不能充分(fēn)利用(yòng);δ過小，流體黏度影(yǐng)響增大(dà).通(tōng)常D≤10mm, δ=(0.05,0.07)D; 10mm<D≤80mm, δ=(0.01-0.015)D; 80mm<D，δ=0.01 D。

d.葉輪根徑與流量計導管内徑之比k, k越大(dà)，儀轟靈敏度越高(gāo);但引起葉輪轉速提高(gāo)，磨損增大(dà)，壓損增大(dà)。

E.葉片重疊度P。P過大(dà)，不僅使葉輪重量增大(dà)，磨損加劇，也(yě)使壓損增大(dà)。過小則易漏過流體，降低一般靈敏度。一般P=0.9~1.2。