孔板流量计安装设计报告.docx
《孔板流量计安装设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《孔板流量计安装设计报告.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
孔板流量计安装设计报告
课程设计
题目孔板流量计安装管路设计
二级学院电子信息与自动化
专业自动化
班级
学生姓名学号
指导教师
考核项目
设计50分
平时成绩20分
答辩30分
设计质量20分
创新设计15分
报告质量15分
熟练程度20分
个人素质10分
得分
总分
考核等级
教师签名
摘要
随着科学技术发展，出现新型流量计是必然的。
然而由于流量测量技术本身涉及面广，随着对象不同，对流量计有着不同的要求，也就是说客观上多种流量计并存，才能满足不同场合和层次的需求。
由于孔板流量测量技术历史悠久，标准化程度高，使用简单可靠，一般无特殊要求时无须标定等特点。
孔板流量计是根据安装在管道中孔板前后的压差，已知的流体参数和孔板的几何尺寸来计算流量的仪表。
孔板流量计常用于工业生产测量气体、液体和蒸汽流量。
传统孔板流量计测量精度较低，功耗较高。
流量计的发展趋势是高精度、低功耗、数字化、集成化、智能化、网络化。
本文在查阅了大量文献资料的基础上分析了流量计的工作原理。
阐述了差压式孔板流量计的安装以及对节流装置的前后压力值测算和对直管道长度分析计算。
孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器（或差压变送器、温度变送器及压力变送器）配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及天然气的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。
关键词：
差压式流量计，孔板流量计，取压装置，直管道长度，差压式孔板流量计安装，
目录
一．概述………………………………………………………………3
（一）差压式流量计概述……………………………………………………………3
（二）工作原理………………………………………………………………………5
二．孔板流量计安装管路设计…………………………………………6
（一）孔板流量计安装管路设计思路…………………………………………………6
（二）差压式孔板流量计安装………………………………………………………7
（三）对节流装置的前后压力值测算………………………………………………11
（四）孔板流量计对直管道长度进行分析计算……………………………………13
（五）孔板流量简易计算公式………………………………………………………15
（六）计算实例…………………………………………………………………………………16
三．总结…………………………………………………………………18
四．参考文献……………………………………………………………18
一、概述
（一）差压式流量计概述
差压式流量计（以下简称DPF或流量计）是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。
DPF由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。
通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。
二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。
差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数（如压力、物位、密度等）。
DPF按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用最为广泛。
节流式DPF的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。
所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件。
标准型节流式DPF的发展经过漫长的过程，早在20世纪20年代，美国和欧洲即开始进行大规模的节流装置试验研究。
用得最普遍的节流装置--孔板和喷嘴开始标准化。
现在标准喷嘴的一种型式ISAl932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的，而标准孔板亦曾称为ISAl932孔板。
节流装置结构形式的标准化有很深远的意义，因为只有节流装置结构形式标准化了，才有可能把国际上众多研究成果汇集到一起，它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。
1980年ISO（国际标准化组织）正式通过国际标准ISO5167，至此流量测量节流装置第一个国际标准诞生了。
ISO5167总结了几十年来国际上对为数有限的几种节流装置（孔板、喷嘴和文丘里管）的理论与试验的研究成果，反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。
但是从ISO5167正式颁布之日起，它就暴露出许多亟待解决的问题，这些问题主要有以下几个方面。
1）ISO5167试验数据的陈旧性ISO5167中采用的数据大多是30年代的试验结果，今天无论节流装置制造技术，流量试验设备及实验技术都有巨大的进步，重新进行系统地试验以获得更高精确度及更可靠的数据是必要的。
进入80年代美国和欧洲都进行大规模的试验，为修订ISO5167打下基础。
2）ISO5167中关于直管段长度规定的问题在ISO投票通过ISO5167时，美国投了反对票，其主要原因是对直管段长度的规定有不同意见，这个问题应是ISO5167修订的主要问题之一。
3）ISO5167中各项规定的科学性问题影响节流装置流出系数的因素特别多，主要有孔径与管径的比值β、取压装置、雷诺数、节流件安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘尖锐度、管壁粗糙度、流体流动湍流度等，众多因素影响错综复杂，有的参数难以直接测量，因此标准中有些规定并非科学地确定，而是为了取得一致，不得不人为地确定。
著名流量专家斯宾塞（E．A．Spencer）提出一系列应重新检讨的问题，如孔板平直度、同心度、直角边缘尖锐度、管道粗糙度、上游流速分布及流动调整器的作用等。
4）关于节流式DPF测量精确度提高的问题鉴于节流式DPF在流量计中占有重要地位，提高其测量精确度意义重大。
历次国际学术会议认为必须使流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者紧密合作共同攻关才能解决此问题。
20世纪80年代美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计试验研究，欧洲为欧共体实验计划（EECExperimentalProgram），美国为API实验计划（APIExperimentalProgram）。
试验的目的是用现代最新测试设备及试验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的试验研究，为修订ISO5167打下技术基础。
1999年ISO发出ISO5167的修订稿（ISO／CD5167-1-4），该文件为委员会草案，它在技术内容与编辑上都有很大改动，是一份全新的标准。
本来预定于1999年7月在美国丹佛举行的ISO／TC30／SC2会议上审查通过为DIS（标准草案），但是会议认为尚有细节问题应再商榷而未能通过。
新的ISO5167标准何时正式颁布尚不得而知。
ISO5167新标准在标准的两个核心内容皆有实质性变化，一是孔板的流出系数公式，用Reader-Harris/Gallagher计算式（R-G式）代替Stolz计算式，另一为节流装置上游侧直管段长度的规定以及流动调整器的使用等。
我们通常称ISO5167（GB／T2624）中所列节流装置为标准节流装置，其他的都称为非标准节流装置，应该指出，非标准节流装置不仅是指那些节流装置结构与标难节流装置相异的，如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置，例如，标准孔板在混相流或标准文丘里喷嘴在临界流下工作的都是。
目前非标准节流装置大致有以下一些种类：
1）低雷诺数用1／4圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；
2）脏污介质用圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；
3）低压损用罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管，Vasy管等；
4）小管径用整体（内藏）孔板；
5）端头节流装置端头孔板，端头喷嘴，Borda管等；
6）宽范围度节流装置弹性加载可变面积可变压头流量计（线性孔板）；
7）毛细管节流件层流流量计；
8）脉动流节流装置；
9）临界流节流装置音速文丘里喷嘴；
10）混相流节流装置。
节流式DPF现场应用的不断拓展必然提出发展非标准节流装置的要求，十余年来ISO亦在不断制订有关非标准节流装置的技术文件，在它们不能成为正式标准之前作为技术报告发表。
可以预见，今后有可能若干较为成熟的非标准节流装置会晋升为标准型的。
20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF销售量在流量仪表总量中台数占50％-60％（每年约百万台），金额占30％左右。
我国销售台数约占流量仪表总量（不包括家用燃气表和家用水表及玻璃管浮子流量计）的35％-42％（每年6万-7台）。
（二）基本原理
充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图1所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。
流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。
这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的。
压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质（密度、粘度）不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。
图1孔板附近的流速和压力分布
二、孔板流量计安装管路设计
（一）孔板流量计安装管路设计思路
在气体的流动管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前燃气稳定的向前流动，气体流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速将发生变化，速度加快，气体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压（孔板前截面大的地方压力大，通过孔板截面小的地方压力小）。
差压的大小和气体流量有确定的数值关系，即流量大时，差压就大，流量小时，差压就小。
流量与差压的平方根成正比。
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。
通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。
二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。
它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数（如压力、物位、密度等）。
差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:
节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。
检测件又可按其标准化程度分为二大类:
标准的和非标准的。
所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。
非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。
差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。
近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。
优点:
（1）应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;
（2）应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
（3）检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
缺点:
（1）测量精度普遍偏低;
（2）范围度窄,一般仅3:
1~4:
1;
（3）现场安装条件要求高;
（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。
应用概况:
差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:
单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:
常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:
从几mm到几m;流动条件方面:
亚音速、音速、脉动流等。
它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。
（二）差压式孔板流量计安装
差压式孔板流量计安装的正确与否直接影响其对测量的精确程度。
1、标准节流装置的使用条件
①流体必须充满圆管，并连续不断的流经节流装置；
②流体在物理上和热力学上必须是均匀的单相流体；
③流体流经节流装置时不得发生相变；
④节流装置所测得流体必须是稳定流，或可看作是稳定的缓慢变化的流体，不适用于脉动流和临界的流量测量；
⑤流束必须与管道平行，不得有旋转流。
2、安装基本要求
①垂直度
节流件上游端面与管道轴线的垂直度不大于1°。
②不同轴度
节流件应与管道同轴。
当节流件的轴线与上、下游侧管道轴线之间距离
满足下式时，流出系数C无附加不确定度：
=（0.0025D）/（0.1+2.3
）。
如上式不能满足时，而满足下式时，流出系数C的不确定度应算术相加±0.3%：
（0.0025D）/（0.1+2.3
）＜
≤（0.005D）/（0.1+2.3
）
③直管段长度
节流装置应安装在两段有恒定横截面积的圆筒形直管段之间，最短直管段长度随节流件形式、阻流件形式和直径比而异。
④取压口位置
节流装置安装在垂直管道上时，取压口的位置在取压装置的平面上可任意选择；节流装置安装在水平管道或倾斜管道上时，取压口的位置选择取决于被测介质的特性。
节流装置出厂时，取压口、导压管均设置在二螺栓孔之间。
现场法兰焊接时应注意螺孔及取压口的相对位置。
⑤导压管
导压管应按被测流体的性质使用耐压、耐腐蚀的材料制造，其内径不得小于6mm，长度最好在16m之内。
不同流体不同长度下的最小内径按下表选择：
导压管长度mm＜1600016000～4500045000～90000
被测流体导压管内径mm
水、水蒸汽、干气体7～91013
湿气体131313
低、中粘度的油品131925
脏液体或气体252538
导压管应垂直或倾斜敷设，其倾斜度不得小于1：
12；粘度较高的流体，其倾斜度还应增大，当差压信号传送距离大于30m时，导压管应分段敷设，并在各最高点和最低点分别装设集气器（或排气阀）和沉降器（或排污阀）。
3、安装注意事项
节流式DPF的安装要求包括管道条件、管道连接情况、取压口结构、节流装置上下游直管段长度以及/差压信号管路的敷设情况等。
安装要求必须按规范施工，偏离要求产生的测量误差，虽然有些可以修正，但大部分是无法定量确定的，因此现场的安装应严格按照标准的规定执行，否则产生的测量误差甚至无法定性确定。
关于节流装置上下游直管段长度的确定，是一个有争议的问题。
由于进行此项试验的各试验者条件的差异，以及误差评定方法的不一致，试验结果存在分歧并不奇怪。
以下我们按测量管、节流件以及差压信号管路几方面的安装需要注意的事项分别进行简介。
⑴测量管及其安装
测量管是指节流件上下游直管段，包括节流件夹持环及流动调整器（如果使用时），典型的测量管如图2所示。
测量管是节流装置的重要组成部分，其结构及几何尺寸对进入节流件流体的流动状态有重要影响管段管道内径的确定方法；直管段的直度和圆度；直管段的内表面状况；直管段的必要长度；节流件夹持环；流动调整器。
图2测量管
直管段管道内径的确定如图3所示
图3管径和圆度的检验位置
具体要求如下：
1）上游管径：
D＝（
）/12在①②③平面处测；
圆度：
0.997D≤
，…，
，
≤1.003D在①②③④平面处测，其中n为保险起见，在③与④平面之间，追加的测量次数。
2）下游对管径只作一次检查：
0.97D≤D≤1.03D。
3）对古典文丘里管入口圆筒形直径与D之差≤入口圆筒形直径的±1％；入口圆筒形直径与
…之差≤入口圆筒形直径的±2％；
≥文丘里扩散段出口端直径的90％。
用于计算节流装置直径比的管道内径D值应为上游取压口的上游0.5D长度范围内的内径平均值。
由图可见，对内径确定的规定是很严格的，但是在现场由于种种原因，有时没有按照要求进行，而采取公称通径作为设计计算之用，这是不允许的。
直管段管道内表面状况对测量精确度的影响往往被忽略了。
标准对管道内详细规定。
在湍流状况下光滑管与粗糙管的流速分布是不一样的系数亦不相同。
对于新安装的管道应选用符合粗糙度要求的管道，如果达不到要求采取措施，如加涂层或进行机加工，以满足之。
但是仪表长期使用后，由于测量介质特性（腐蚀，粘结，结垢等）作用，内表面可能发生改变，应定期检查进行清洗维护。
（2）节流件的安装
节流件安装的垂直度、同轴度及与测量管之间的连接都有严格的规定。
1）垂直度节流件应垂直于管道轴线，其偏差允许在±1o之间。
2）同轴度节流件应与管道或夹持环（采用时）同轴。
节流件的轴线与上下游侧测量管轴线之间的距离（或称偏心率）
与取压管轴线的平行分量
及垂直分量
应满足下式，此时流出系数C无附加不确定度
≤0.0025D/（0.1+2.3
）（4.3）和
≤0.005D/（0.1+2.3
）（4.4）如果
在式（4.5）范围内，则流出系数C的不确定度应算术相加±0.3％的附加不确定度
0.0025D/（0.1+2.3
）≤
≤0.005D/（0.1+2.3
）（4.5）
如果
和
在式（4.6）范围，则认为不符合标准文件（ISO5167）的要求
或
＞0.005D/（0.1+2.3
）（4.6）由式可见，在中小口径及大β值时，安装偏心率的要求是很严格的，
的实际检验很困难，应由各连接件的配合公差来保证。
3）节流件前后测量管的安装离节流件2D以外，节流件与第一个上游阻流件之间的测量管，可由一段或多段不同截面的管子组成，其允许的台阶及附加不确定度如图4所示。
在离节流件上游侧端面至少2D长度的下游测量管上，下游管道内径与上游测量管的内径平均值之差，应不超过内径平均值的±3％。
若
≤±0.3％D，则对流出系数可用参比条件下的精度。
若
≥±0.3％D，并且
/D≤0.002×（Ls／D+0.4）/（0.1+2.3
）和
/D≤0.05式中β=d/D
=D1-D则对流出系数的精度应附加±0.2%的不确定度。
图4管道台阶检验
（3）差压信号管路的安装
差压信号管路是指节流装置与差压变送器（或差压计）的导压管路。
它是DPF的薄弱环节，据统计DPF的故障中引压管路最多，如堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等等，约占全部故障率的70％，因此对差压信号管路的配置和安装应弓[起高度重视。
1）取压口取压口一般设置在法兰、环室或夹持环上，当测量管道为水平或倾斜时取压口的安装方向如图5所示。
它可以防止测液体时气体进入导压管或测气体时液滴或污物进入导压管。
当测量管道为垂直时，取压口的位置在取压位置的平面上，方向可任意选择。
图5取压口位置安装示意
2）导压管导压管的材质应按被测介质的性质和参数确定，其内径不小于6mm，长度最好在16mm以内，各种被测介质在不同长度时导压管内径的建议值如表4.8所示。
导压管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1：
12，粘度高的流体，其倾斜度应更增大。
当导压管长度超过30m时，导压管应分段倾斜，并在最高点与最低点装设集气器（或排气阀）和沉淀器（或排污阀）。
正负导压管应计量靠近敷设，防止两管子温度不同使信号失真，严寒地区导压管应加防冻保护，用电或蒸汽加热保温，要防止过热，导压管中流体汽化会产生假差压应予注意。
⑤导压管的内径和长度
3）差压信号管路的安装根据被测介质和节流装置与差压变送器（或差压计）的相对位置，差压信号管路采用相应的安装方式。
（三）对节流装置的前后压力值测算
孔板的取压装置有三种：
法兰取压，D-D/2取压与角接取压。
1.角接取压口
角接取压口如图2（a）所示。
取压口有单独钻孔取压口和环隙取压口两种方式。
取压口可位于管道上、管道法兰上或夹持环。
取压口轴线与孔板各相应端面之间的间距等于取压口直径之半或取压口环隙宽度之半。
取压口出口边缘与孔板端面平齐。
对清洁流体和蒸汽
当
0.65：
0.005D
a
0.03D
>0.65：
0.01D
a
0.02D
对于任何
值
清洁流体：
1mm
a
10mm。
用环隙取压口测量蒸汽时：
1mm
a
10mm。
用单独钻孔取压口测量蒸汽和液化汽时：
4mm
a
10mm。
2．法兰取压口
法兰取压口入图2（b）所示。
上游取压口之间距
名义上等于25.4mm，从孔板上游端面量起；下游取压口之间距
名义上等于25.4mm从孔板下游端面量起。
当
时，
和
均应为25.4mm
0.5mm；当
或
但
时，
和
均应为25.4mm
1mm。
取压口安装时，应预先考虑垫圈和（或）密封材料的厚度。
取压口轴线应与管道轴线相交成直角。
取压口穿透处为圆形，其边缘应与管壁内表面平齐，并尽可能锐利。
允许有倒圆，倒圆半径小于取压口直径的0.1。
取压口直径应小于0.13D，并小于13mm。
从管道内壁量起，在至少2.5倍取压口直径的长度范围内，取压口应为圆筒形。
取压口轴线的位置可位于管道的任一轴向平面上，但应考虑上、下游取压口的高度差以及单次流向改变（弯头或三通），如采用一对单独钻孔的取压口，则取压口轴线应垂直于弯头或三通所在的平面。
3．D-D/2取压口
D-D/2取压口如图2（c）所示。
上游取压口的间距
名义上等于D，但允许在0.9D~1.1D范围内变化。
下游取压口的间距
名义上等于0.5D，当
时，
=0.48D~0.52D；
时，
=0.49D~0.51D。
间距
、
均自孔板的上游端面量起。
图2孔板的三种取压方式
（四）孔板流量计对直管道长度进行分析计算
1、管道条件：
（1）节流件前后的直管段必须是直的，不得有肉眼可见的弯曲。
（2）安装节流件用得直管段应该是光滑的，如不光滑，流量系数应乘以粗糙度修正稀疏。
（3）为保证流体的流动在节流件前1D出形成充分发展的紊流速度分布，而且使这种分布成均匀的轴对称形，所以
1）直管段必须是圆的，而且对节流件前2D范围，其圆度要求其甚为严格，并且有一定的圆度指标。
具体衡量方法：
（A）节流件前OD，D/2，D，2D4个垂直管截面上，以大至相等的角距离至少分别测量4个管道内径单测值，取平均值D。
任意内径单测量值与平均值之差不得超过±0。
3%
（B）在节流件后，在OD和2D位置用上述方法测得8个内径单测值，任意单测值与D比较，其最大偏差不得超过±2%
1）节流件前后要求一段足够长的直管段，这段足够长的直管段和节流件前的局部阻力件形式有关和直径比β有关，见表1（β=d/D,d为孔板开孔直径，D为管道内径）。
（1）节流件上游侧第一阻力件和第二阻力件之间的直管段长度可按第二阻力件的形式和β=0。
7（不论实际β值是多少）取表一所列数值的1/2
（2）节流件上游侧为敞开空间或直径≥2D大容器时，则敞开空间或大容器与节流件之间的直管长不得小于30D（15D）。
若节流件和敞开空间或大容器之间尚有其它局部阻力件时，则除在节流件与局部阻力件之间设有附合表1上规定的最小直管段长1外，从敞开空间到节流件之间的直管段总长也不得小于30D（15D）。
表1：
孔板与阻流件之间所要求的直管道长度（数值以管径D倍数表示）
直径比
孔板上游侧（入口）
孔板下游侧
单个90o弯头
在任意平面两个90度弯头（s>30D）
在同一平面上的两个90o弯头
S形状
（30D>=S>10D）
在同一平面上的两个90o弯头
S形状
（
升级会员 