sgin0051节流装置计算导则.docx
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sgin0051节流装置计算导则
目录
序言……………………………………………………………………………2
1 名词和术语………………………………………………………………4
2 符号和单位………………………………………………………………5
3 节流装置计算……………………………………………………………6
3.1 节流装置计算的约束条件（ISO5167）………………………………6
3.2 管道雷诺数ReD的计算………………………………………………7
3.3 气体膨胀系数的计算……………………………………………8
3.4 流出系数C的计算……………………………………………………8
3.5 节流装置的选型计算…………………………………………………8
3.6 节流装置的使用计算…………………………………………………11
3.7 节流装置选型说明……………………………………………………12
4 附录
4.1 Intools节流装置计算程序…………………………………………12
4.2 程序的使用说明………………………………………………………12
4.3 Intools节流装置计算公式…………………………………………14
4.4 InstruCalc节流装置计算程序……………………………………23
4.5 节流装置计算的标准…………………………………………………27
序言
在流程行业中流量测量具有非常重要的意义，工艺过程的物料平衡和能量平衡无不依赖于精确的流量测量和控制。
在长期的工程实践中，人们总结出了许许多多流量测量的方法。
但在工程中应用最广泛的测量方法还是根据流体经过节流时压差的变化来测量流量，即利用节流装置和差压变送器来测量流量。
流体经过节流件时，节流件上下游的压差与流量之间具有确定的关系，利用这一关系，通过测量经过节流件的压差来测量流量。
压差与流量之间的关系可以通过柏努利方程推导得出。
这种流量测量方法很早就已经使用，不同组织先后进行过大量的流量测量实验、发布了流量测量数据，ISO国际标准化组织还制定了ISO5167标准、规定了测量的使用条件、计算公式和误差估算。
使得采用该标准建立的流量测量系统具有一定的精确性和复现性，并且测量的不确定度可以预测。
需要说明的是流量与压差的开方之间的线形关系是有条件的。
用户可以参看3.1节《节流装置计算的约束条件（ISO5167）》的说明。
采用节流装置配用差压变送器来测量流量包含这样一个假设，即流量与压差的开方之间具有线形关系。
而实际情况是由于流量系数（或流出系数C）并非恒定的，它是与管道雷诺数有关的一个变量、而管道雷诺数又与流量具有线性关系。
这就是说不同工况（流量）下，由差压变送器测出的流量本身就存在误差，并且误差的分布是不同的。
ISO标准和AGA标准推荐Beta值为0.55左右，在这一取值范围内系统的误差较小。
这种系统误差对测量的影响包含在节流装置测量的不确定度的分析中，而且雷诺数的变化对流出系数C的影响可以参看《3.4流出系数C的计算》一节。
由于流出系数C引入的误差在整个测量误差中占有很小比例，因此在使用状态下，由节流装置和流量变送器组成的测量系统所测量的流量可以近似地作为实际流量。
在节流装置选用计算时，在确定孔径比Beta值后，通常要计算采用该孔径比的节流装置进行测量的不确定度。
此外还有许多因素影响着流量测量的精度，例如流体的流动状况对流量测量的影响。
在雷诺Re小于2000时，流体处于层流状态。
在层流状态下流量与压差近似成线性关系。
在雷诺Re大于40000时，流体处于湍流状态、由于湍流状态下流体具有充分发展的流动剖面、流速的分布比较均匀，在满足节流装置的其他约束条件下，流量与压差的开方成比例关系。
界于湍流和层流状态之间的过渡流状态其流量与压差之间没有确定关系。
流体的流量测量只有在湍流状态下才是有意义的。
换句话说，必须保证流体在正常流量下管道雷诺数大于限定最小雷诺数。
用户可以参看3.1节《节流装置计算的约束条件（ISO5167）》,以了解影响流量测量的各种因素、以及它们对流量测量的不确定度的影响。
本导则并不进行节流装置理论计算的探讨，而是面向工程设计人员的生产实践，希望能对其计算、选型工作给予帮助。
考虑到设计人员广泛使用Intools和InstruCalc计算程序，我们在附录中提供了这些程序的使用说明和计算公式。
目前在节流装置计算方面主要有下面一些标准：
ISO5167-11980/1991
《流量测量节流装置用孔板、喷嘴、和文丘里管测量充满圆管的流体流量》GB/T2624-93
Britishstandard1042.（1989）
ANSI/API2530（1991）[AGAReport3]（AGA美国天然气协会）
此外对某些非标准节流装置采用了R.W.Miller所著《流量测量工程手册》中的计算公式。
该流量测量手册的英文全称为:
《FlowMeasurementEngineeringHandbook》byR.W.Miller,edition（1996）
由于ISO5167标准是由国际标准化组织ISO所制定,并且在国际上被广泛接受和使用。
本导则中使用的名词术语、计算公式将主要依据ISO5167标准。
对于采用其他标准的节流装置计算公式一般都给出遵循的国际（内）标准，
注：
ISO5167-1标准是由ISO/TC30“封闭管道中流体流量的测量”技术委员会的SC2
“差压装置”分技术委员会制定，该标准的总题目（Topic）为：
“用差压装置测量流
体流量”。
1名词和术语
1.1 差压
在考虑节流装置取压口上下游之间的高度差之后，在一次装置上游的静压P1和下游（或文丘里管喉部）的静压P2间的差值，ISO5167标准中规定了各种节流装置和取压方式的取压口的位置。
只有从满足规定的取压口中测出的压力才能作为P1、P2。
1.2 节流孔（或喉部）
一次装置中横截面积最小的开孔,标准节流装置的节流孔是圆的，并且与管线同轴。
1.3 雷诺数ReＤ
表示惯性力和粘性力之比的无量纲的参数
1.4 等熵指数κ
在基本可逆（等熵）转换条件下，压力的相对变化对密度的相对变化之比。
等熵指数K随气体的性质及温度和压力而变化，由于许多气体的等熵指数K没有公布过,ISO5167标准允许使用理想气体的比热比来代替等熵指数κ计算流量。
1.5 流出系数C
对不可压缩流体理论计算的流量与实际测量的流量存在偏差，为了补偿这种偏差，引入流出系数C，其定义式为：
Q实际=CQ理论
流出系数的计算式为：
流量系数与流出系数C的关系为：
=C（1/
）
对于给定装置的流出系数C仅仅与雷诺数有关，对于不同的装置，只要这些装置是几何相似的、并且流动都是以相同的雷诺数来表征的，则C的数值是相同的。
1.6 膨胀系数
对可压缩流体（气体）由于流体可压缩性、理论计算的流量要小于实际测量的流量。
通过引入的修正系数来补偿流体可压缩性的影响。
对不可压缩流体，其膨胀系数=1，而对可压缩流体膨胀系数＜1。
气体膨胀系数取决于差压、静压、和等熵指数。
1.7 不可恢复压力损失
流体经过节流件时，从节流件上游到缩流处（VenaContracta）,由于流通面积缩小、流速增加，压力减小。
而由缩流处到节流件下游，流速被恢复而压差不能完全被恢复，存在一部分压力损失。
与流体经过节流件的压差不同，不可恢复压力损失反映了流体经过节流件时的能量损失，并且这部分能量损失是由于在忽略流体位能变化后，在速度头和压头之间的机械能转化时，有一部分机械能以热能的形式散失了。
从不可恢复压力损失的定义看，节流件下游的压力应该从不包含其他阻力件、并且具有很长直管段上取压。
为了方便起见通常选择节流件上游1D和下游6D处的静压的差值作为不可恢复压力损失。
而流体经过节流件的压差或压降，却是为流量计算而测量的。
不同的流量元件、不同的取压方式对压差测量的要求是不同的。
例如径距取压要求上游取压口在孔板上游1D处,下游取压口在孔板下游D/2处。
不同的流量元件及其取压方式对应着不同的计算公式。
由此可见压差和不可恢复压力损失的概念、作用和测量方法是不同的。
2 符号和单位
qm质量流量kg/s
qv体积流量m/s
P差压Pa
P1节流装置上游流体静压Pa（A）
P2节流装置下游流体静压Pa（A）
l取压口间距m
L相对取压口间距l/D
D操作温度下的内径m
d孔板的直径m
操作密度kg/m3
动力粘度Pa·s
运动粘度m2/s
ReD雷诺数
孔径比
C流出系数
t流体温度℃
气体膨胀系数
U流体的平均轴向速度m/s
κ绝热指数
比热比
注：
是定压比热与定容比热之比，对理想气体，比热比等于其等熵指数。
3 节流装置计算
3.1 节流装置计算的约束条件（ISO5167）
我们将影响节流装置计算的因素概括为：
流体性质、流动状态及流量元件的安装要求三方面，并分别介绍如下：
流体性质：
ISO5167标准适用于可压缩流体（气体）和不可压缩流体（液体）,并且流体应可以视为在物理学和热力学上是均匀和单相的。
在工程设计中遇到的大部分流体是混合溶液，当该混合溶液具有高度分散的特点时，可以被视为单相流体。
按照该标准计算节流装置的孔径比、差压上限、和质量流量（或体积流量）时，需要已知流体工作状态下的密度和粘度。
对不可压缩流体，当压差选取不当时，在流体经过节流件后的缩流处，可能由于压力低于该温度下的液体蒸汽压，部分液体产生汽化。
这种汽-液两相状态属于热力学不稳定状态，并且也违反了ISO标准关于流体是均匀和单相的的约定。
在节流装置的选型计算中应该避免出现这种情况。
流动状态：
流量应该是恒定的，或流量只随时间做微小和缓慢的变化。
本标准不适用于脉动流的流量测量。
流体的流动状态是用雷诺数Re来表征的,对于雷诺数Re＞40000的湍流情况，流量与差压的开方具有确定关系。
节流装置的计算和流量测量都是基于此的。
当雷诺数Re＜2000时，流体处于层流状态，流量与差压近似线形关系。
而处于中间状态的过渡流，流量与压差不再具有上面的关系。
利用流量与差压的开方成比例的计算方法和测量手段将会导致很大的误差。
由于上面谈到的流体的流动状态对测量精度的影响，ISO5167-1标准和GB/T2624-93都采用最小雷诺数作为判据，并且不同孔径比对应的最小雷诺数是不同的，在有关的文档中包含不同取压方式下孔径比和最小雷诺数对照表，设计人员可以查表得到。
当使用如Intools计算程序时，程序会自动从数据库中查找该孔径比值对应的最小雷诺数，如果计算的管道雷诺数小于最小雷诺数。
系统会给出相应的提示。
由于仪表设计人员无法改变流量值、无法调整管径，他们通常要向工艺专业反馈这一信息，强制计算可能导致孔板在使用中测量误差非常大。
此外流量测量要保证流体经过节流装置不发生相变,如果由于通过节流件的压降导致出现两相流，就违反了前面的约束-即流体在物理学和热力学上是均匀、单相的。
在出现相变时，通过节流件的质量流量要小于按不可压缩流体理论计算的数值。
并且在出现汽液相平衡时质量流量达到一个稳态值。
因此使用不可压缩流体的计算公式会导致较大的误差。
为了防止出现相变，ISO5167标准规定：
0.2≤≤0.75并且P2/P1≥0.75。
增大孔板的直径可以减少在孔板上的压降，通过压降比限制在P2/P1≥0.75条件，以保证在节流件的缩流处的压力大于该状态下的液体蒸气压、避免出现汽化。
流量元件的安装要求：
测量方法仅适用于流过圆形横截面的管线的流体，在测量处管道应被充满。
一次装置安装在管道中这样的位置—上游的流动状态接近于充分发展的流动剖面，且无旋涡。
为此需要保证一定的上下游直管段长度。
使用条件：
流体流过测量段的流动是亚音速的，并且对管道的尺寸和管道雷诺数加以限制。
ISO标准限制管道直径D不能小于50mm，并且管道内径D不能大于1200mm,并且管道雷诺数不能低于3150，而且计算得到的节流孔的直径应大于12.5mm。
推荐由位于节流装置下游的阀来实现流量控制，位于上游的切断阀应该全开，而且最好采用闸阀（Gate）型。
3.2 管道雷诺数ReD的计算
雷诺数为表示惯性力和粘性力之比的无量纲的参数，用于表征流体的流动状况。
对流体上游条件和管道上游直径而言，即
或者在已知流速U1和运动粘度的条件下利用下式计算
对一次装置的节流孔或喉部直径来说：
ReD=Red/
3.3 气体膨胀系数的计算
对不可压缩流体其气体膨胀系数=1；而对可压缩流体其气体膨胀系数＜1，其计算公式为：
在ISO5167标准中给出的值是以实验确定的数据为依据的,对于喷嘴和文丘里管的气体膨胀系数是以热力学通用能量方程推导的。
对于标准取压装置（法兰取压标准孔板、角接取压标准孔板、标准喷嘴），气体膨胀系数可以按照下面的经验公式计算。
（该经验公式要求压差比P2/P1≥0.75）
1=1-（0.41+0.354）*P/（P1）
式中 --为等熵指数。
对于下游条件气体膨胀系数2
对于文丘里喷嘴、经典文丘里管、ISA1932喷嘴，在P2/P1≥0.75条件下其气体膨胀系数的计算公式为：
3.4 流出系数C的计算
参见4.3.4节，流出系数的计算公式
3.5 节流装置的选型计算
节流装置的选型计算主要是已知满刻度流量、差压上限等条件,计算孔板直径。
对设计人员来说首先要确定节流装置的类型，如流量元件是孔板还是喷嘴或文丘里管；取压方式为角接取压或是法兰取压等。
其中法兰取压标准孔板、角接取压标准孔板和标准喷嘴被称为标准取压装置。
此外还有其他一些非标准取压装置，用户可以根据被测介质的特点、压力损失的要求等选用不同类型的一次装置。
下面是不同取压装置的特点（包括适用的介质类型、压力损失、测量精度、直管段长度、加工制造、维护等）
3.5.1 标准孔板（ISO5167-1）
适合于清洁、无腐蚀、无固体颗粒物的流体、流体在工作状态下不会出现凝结、结晶，对于夹带固体颗粒的液态流体在节流孔处不会出现积聚。
对气体测量而言，当测量气体中携带液滴时，可以选择带排净口Drain的孔板，对于液体测量而言，当液体中包含气泡时，可以选择带放空口Vent的孔板。
如果忽略气体中携带的液滴、或液体中包含的气泡对测量的影响，测量精度将无法保障。
孔板的结构简单,它是由“薄”的圆板开孔加工而成，孔板的开孔中心应该在管道的中心线上，并且在加工时要特别保证上游端面的粗糙度不能超过ISO标准的规定，由于孔板的下游端面留有斜角（锐角）以利于流体扩散，标准孔板也被称为“同心锐孔板”。
孔板的加工、安装和维护方便、价格不高、并且能够保证一定的测量精度，所以得到了广泛的使用。
但在孔板的安装使用时，要注意管道中流体的流向，孔板的上下游端面的加工要求是不一样的，如果孔板的安装方向出现错误，会给测量带来很大影响。
通常孔板的制造厂会在孔板上标出正确的流向。
ISO5167标准中将法兰取压:
，角接取压，径距取压作为标准取压方式，在附录中介绍的Intools和InstruCalc计算程序中还介绍了缩流取压、管道取压的计算方法。
法兰取压:
（ISO5167-1）
对于加工和安装来说非常方便，通常孔板订货时可以要求配对法兰，由制造厂负责在孔板开孔（上游和下游距离孔板25.4mm）。
从而克服了由于取压口位置偏差给测量带来的影响。
使用条件：
50mm≤D≤1000mm
d≥12.5mm
0.2≤≤0.75
ReD≥12602D
ReD≥10000（对于＞0.45）
角接取压：
（ISO5167-1）
取压口位于取压装置上下游端面，由于管道中流速分布不均匀，也有采用环室取压，由于环室为紧贴端面的环行间隙,该取压口对应的流速为沿着管道轴线上某一点的平均速度。
对于管道尺寸较小的流量测量系统，一般选用角接取压的方式。
使用条件：
50mm≤D≤1000mm
d≥12.5mm
0.2≤≤0.75
ReD≥5000（对于0.2≤≤0.45）
ReD≥10000（对于＞0.45）
角接取压标准孔板、法兰取压标准孔板的等效粗糙度要满足下表的要求
3.5.2 喷嘴
适用于测量高压、过热蒸汽及其他高速气流量，喷嘴的加工较复杂，价格较高，并且耐冲蚀性能比孔板好。
3.5.2.1 ISO长径流量喷嘴使用条件（ISO5167-1）
50mm≤D≤630mm
0.2≤≤0.8
相对粗糙度小于10-3
107≥ReD≥104
3.5.2.2 ISA1932喷嘴（ISO5167-1）
50mm≤D≤500mm
0.3≤≤0.8
7x104≤ReD≤107（对于0.3≤≤0.44）
2x104≤ReD≤107（对于0.44≤≤0.8）
并且等效粗糙度满足一定要求。
3.5.3 文丘里管
适用于低压损,以及介质中含有固体悬浮物的流体的流量测量。
与孔板相比体积大、笨重，安装和制造成本大。
文丘里管包括经典文丘里管和文丘里喷嘴。
经典文丘里管按照制造方法又可以分为：
3.5.3.1 经典文丘里管
使用极限:
（1） 入口收缩段（粗铸）-文丘里管（byR.W.Miller）
100mm≤D≤800mm
0.3≤≤0.75
2x105≤ReD≤2x106
（2） 入口收缩段（机械加工）-文丘里管（byR.W.Miller）
50mm≤D≤250mm
0.4≤≤0.75
2x105≤ReD≤106
（3） 入口收缩段（焊接）-文丘里管（byR.W.Miller）
200mm≤D≤1200mm
0.4≤≤0.75
2x105≤ReD≤2x106
3.5.3.2 文丘里喷嘴（ISO-5167-1）
使用极限:
65mm≤D≤500mm
d≥50mm
0.316≤≤0.775
1.5x105≤ReD≤2x106
下面的节流装置属于非标准节流装置，在ISO5167中没有列出这些取压装置的使用条件和计算公式。
3.5.4 圆缺孔板（byR.W.Miller）
适合测量粘度较高、介质比较脏的场合。
使用极限：
50mm≤D≤500mm
3.5.5 偏心孔板（byR.W.Miller）
适合介质中包含固体颗粒物的流体的流量测量，偏心孔板的中心与管道的中心线是不同轴的，偏心孔板的一侧与管道的内壁相齐，这样的结构有利于流体中夹带的杂质可以通过孔板而不造成杂质在节流孔前的积聚和堵塞。
偏心孔板的测量精度不如标准孔板。
制造和加工成本较标准孔板高。
使用极限：
50mm≤D≤500mm
3.5.6 1/4圆孔板（BS1042）
适合雷诺数较低的场合，其雷诺数范围为（200≤ReD≤105），适合粘度高、流速小的介质的流量测量。
测量精度不如标准孔板。
取压方式包括角接取压和法兰取压，其计算公式、使用极限依据英国标准BS1042。
使用极限：
25mm≤D≤500mm
3.6 节流装置的使用计算
节流装置的使用计算分为下面两种情况：
（1） 在已知孔板直径，差压上限等条件下,计算满刻度流量。
（2） 在已知孔板直径，满刻度流量等条件下,计算差压上限。
对设计人员来说，使用计算是在已经确定节流装置的类型后，计算其在使用状态下的流量或压降。
Intools和InstruCalc计算程序可以用来计算极限数据（如满刻度流量，差压上限）。
3.7 节流装置选型说明
ISO标准发布的计算公式都是以直接校准实验为依据，根据这些具有足够数量、分布范围和质量的实验所建立的测量系统具有足够的精度。
其测量结果的不确定度可以根据ISO的相关公式计算。
由用户建立的测量系统是依据下面的原理建立的：
对不同的装置，只要这些装置是几何相似的（即具有相同的孔径比）、流体的流动状态（用雷诺数Re表征）相同,则流出系数C和流量系数是相同的。
注：
=C/（1-4）1/2
为了保证测量的精度，要求节流装置上下游有一定的直管段长度，以保证节流装置前后有充分发展的速度剖面。
用户可以查阅下表，以了解ISO5167标准有关直管段长度的要求。
在ISO5167标准中包含了管道中不同类型阻力件时要求的直管段长度。
长度是以管道直径的倍数表示的，表中无括号的值对应“零附加不确定度”的直管段长度而括号内的值对应“0.5%附加不确定度”下的直管段长度。
孔板、喷嘴、文丘里喷嘴所要求的直管段长度
4 附录
4.1 Intools节流装置计算程序
4.2 程序的使用说明
Intools计算程序可以针对下面所列的流量元件及其取压方式计算流量、压差或孔径比：
同心锐孔板-法兰取压
同心锐孔板-径距取压
同心锐孔板-角接取压
同心锐孔板-管道取压
偏心孔板-法兰取压
圆缺孔板-法兰取压
四分之一圆孔板-角接取压
圆锥孔板-角接取压
入口收缩段机械制造文丘里管
入口收缩段粗铸文丘里管
入口收缩段焊接文丘里管
通用的文丘里管
低压力损失管
ASME长径流量喷嘴
ISA流量喷嘴
文丘里流量喷嘴
节流装置计算需要得到工作状态下的管道直径和节流件的直径，所以在进行节流元件的选型计算和使用计算前，应选择管道材质和测量元件材质。
Intools计算程序自动从材料库中查找材料的温度膨胀系数，然后计算工作状态下的管道直径和节流件的直径。
用户应该选择温度膨胀系数已知的材料，除非可以确定该材料的膨胀系数不会对计算带来很大的影响。
此外程序计算还需要已知管道内径,由于管道尺寸数据和管道材料是与管道密切相关的。
进行节流装置计算前需要首先建立管道数据，这组管道数据使用管道号来标识的，因此用户需要指定某一仪表所在的管道号。
由于INTOOLS系统包含管道规格库，对于符合ANSI或DIN标准的管道,其管道壁厚和内径可以通过选择得到。
对于可压缩流体，当选定其流量单位为体积流量时，INTOOLS软件会提示用户该流量是对应于@flow、@Normal、Standard、@Base四种状态中的哪一种。
@flow：
对应于操作状态
@Normal：
对应于公制的标准状态，即温度为0℃、压力为1atm。
Standard：
对应于英制的标准状态，即温度为60oF、压力为1atm。
@Base：
指某一基准状态，当某一状态的工艺数据为已知时，可以将该工况设为基准状态，并利用该基准状态去计算另
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