過程參數(shù)檢測及儀表課程設(shè)計(jì)差壓式流量裝置設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)課時(shí)：一周考評方式：設(shè)計(jì)匯報(bào)、答辯適用專業(yè)：測控、自動化專業(yè)本科生指導(dǎo)教師：測控教研室“過程檢測”教學(xué)團(tuán)體第1頁背景及意義理論依據(jù)GB/T2624.3-一次裝置形式及取壓裝置設(shè)計(jì)命題設(shè)計(jì)與計(jì)算方法設(shè)計(jì)要求注意事項(xiàng)第2頁1.背景及意義

熱力發(fā)電廠包括流量測量，如給水、過熱蒸汽、再熱水蒸氣屬于高溫高壓流體，這一類流體流量測量唯一可行處理方案是采取差壓式流量測量裝置。實(shí)際上，當(dāng)前熱（火）力發(fā)電廠80%以上流量測量選擇該裝置，其原因在于：1.一次裝置可將流體流量轉(zhuǎn)化為差壓，而實(shí)現(xiàn)對流體差壓測量，已經(jīng)有非常成熟技術(shù)；2.差壓式流量測量裝置無任何機(jī)械可動部件，其有效性、可靠性和長久穩(wěn)定性高；3.經(jīng)過長久試驗(yàn)，積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自1980年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合，使信息處理技術(shù)取得了質(zhì)飛躍。經(jīng)過處理保留試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，得出了非常簡單但十分準(zhǔn)確經(jīng)驗(yàn)公式，使得差壓式流量裝置含有高準(zhǔn)確性；第3頁4.差壓式流量測量裝置流量與差壓之間關(guān)系以“流量測量節(jié)流裝置國家標(biāo)準(zhǔn)”形式公布，流量與差壓之間一一對應(yīng)關(guān)系以及流量測量不確定度可按“標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算確定，無需標(biāo)定，實(shí)用性強(qiáng)；5.差壓式流量測量裝置標(biāo)準(zhǔn)由“中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會”提出，由“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”認(rèn)定和頒布，被賦予了法定地位。第4頁2.理論依據(jù)GB/T2624.3-.差壓式流量測量裝置測量流量理論基礎(chǔ)是流體流動能量守恒方程，及伯努利方程（Bernoulli’sequation，1738）和流體流動連續(xù)性方程。第5頁第6頁第7頁差壓式流量測量裝置流出系數(shù)C或流量系數(shù)是在流量試驗(yàn)臺上測定和與之對應(yīng)后用上述流量公式計(jì)算得出，或C與節(jié)流形式、取壓方式、節(jié)流件前后直管段長度流體流動雷諾數(shù)節(jié)流件開孔直徑比及管道內(nèi)壁粗糙度相關(guān)。在選定節(jié)流件形式及取壓裝置后，使節(jié)流件前后直管段長度和管道內(nèi)壁粗糙度符合要求后，流出系數(shù)C和流量系數(shù)僅與和相關(guān)。解析式不準(zhǔn)確已知。試驗(yàn)所得和是上點(diǎn)，經(jīng)過曲線擬合得出經(jīng)驗(yàn)公式由GB/T2624.3-給出。第8頁差壓式流量測量裝置定義：要求了一次裝置外形、尺寸、加工方式同時(shí)要求了其取壓方式和一次裝置前后直管段長度，這種流量測量系統(tǒng)總稱為“差壓式流量測量裝置”。第9頁GB/T2624本部分要求了噴嘴和文丘里噴嘴幾何尺寸和安裝在管道中測量滿管流體流量使用方法（安裝和工作條件），同時(shí)提供了用于計(jì)算流量并可配合GB/T1624.1要求要求一起使用相關(guān)資料。等同ISO5167-3-

英文名稱：

Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull采標(biāo)情況：

標(biāo)準(zhǔn)介紹

公布日期：

-12-13公布日期：

-12-13

公布部門：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)化管理委員會起草單位：提出單位：中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會主管部門：

中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會上海工業(yè)自動化儀表研究所、上海儀昌節(jié)流裝置制造有限企業(yè)、上海光華儀表有限企業(yè)等第10頁G2624.1《GB/T2624.1-用安裝在圓形截面管道中差壓裝置測量滿管流體流量:普通原理和要求》G2624.1《GB/T2624-用安裝在圓形截面管道中差壓裝置測量滿管流體流量》內(nèi)容介紹G2624.3《GB/T2624.3-用安裝在圓形截面管道中差壓裝置測量滿管流體流量:噴嘴和文丘里噴嘴》G2624.4《GB/T2624.4-用安裝在圓形截面管道中差壓裝置測量滿管流體流量:文丘里管》G2624.2《GB/T2624.2-用安裝在圓形截面管道中差壓裝置測量滿管流體流量:孔板》第11頁第12頁第13頁第14頁第15頁3.一次裝置形式及取壓裝置長頸噴嘴：徑距取壓（前D、后1/2D）文丘里噴嘴：上游角接取壓、下游喉部取壓古典文丘里管：前1/2D取壓、后喉部取壓單獨(dú)鉆孔取壓第16頁第17頁第18頁第19頁第20頁第21頁第22頁第23頁第24頁第25頁第26頁第27頁第28頁角接取壓口第29頁D和D/2取壓口或法蘭取壓口孔板取壓口問題第30頁第31頁第32頁第33頁第34頁第35頁第36頁4差壓式流量測量裝置設(shè)計(jì)命題差壓式流量測量裝置計(jì)算，依據(jù)實(shí)際需要大致可分成以下兩類。（1）已知管道內(nèi)徑D與節(jié)流件開孔直徑d、取壓方式、被測流體參數(shù)等必要條件，要求依據(jù)所測得差壓值計(jì)算被測介質(zhì)流量。（2）已知管道內(nèi)徑D及其布置情況、被測介質(zhì)參數(shù)性質(zhì)、流量范圍，要求設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。即進(jìn)行以下工作：選擇節(jié)流件形式和確定節(jié)流件開孔直徑；選擇差壓變送器型號和量程范圍；推薦節(jié)流件在管道安裝位置；計(jì)算流量測量不確定度。第37頁第二類命題設(shè)計(jì)計(jì)算步驟已知：被測流體及其工作壓力、工作溫度t，最大流量慣用流量、最小流量，管道材料、內(nèi)徑、新舊程度，節(jié)流件前后管道及阻流件情況。給出限制條件有最小直管段（實(shí)際直管段長度）；壓力損失。要求完成一下工作：（1）選定節(jié)流件形式（類型、取壓方式）；（2）選定差壓計(jì)；（3）計(jì)算C、ε、β、；（4）計(jì)算所需最小直管段、、，并驗(yàn)算；（5）計(jì)算最大壓損，并驗(yàn)算；（6）計(jì)算所設(shè)計(jì)節(jié)流裝置測量不確定度。第38頁

對于該命題，依據(jù)已知條件完成設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果不是唯一。因?yàn)樵诒粶y流體管道上安裝節(jié)流件，其β值是可大可小。因?yàn)樵谝阎獥l件中用戶提出了限制要求（，），所以設(shè)計(jì)結(jié)果是在滿足限制要求下各種設(shè)計(jì)結(jié)果。該命題設(shè)計(jì)計(jì)算是在一個(gè)確定流量下進(jìn)行?？紤]到差壓流量計(jì)在分度時(shí)，為提升測量準(zhǔn)確度，使用C和ε值是慣用流量對應(yīng)下數(shù)值，所以設(shè)計(jì)計(jì)算選定在慣用流量下進(jìn)行。設(shè)計(jì)步驟以下：（1）選定一次裝置形式。假如用戶提出壓力損失限值比較大或不要求，能夠選定標(biāo)準(zhǔn)孔板。如用戶提出壓損限值較小，能夠選定標(biāo)準(zhǔn)噴嘴或文丘里管等。對于取壓方式，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中提供方式確定。當(dāng)前在火力發(fā)電廠慣用角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板測量鍋爐給水流量，用角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932）或徑距取壓長徑噴嘴測量過熱蒸汽流量。對于標(biāo)準(zhǔn)孔板或噴嘴所選取材料依據(jù)適用流體及工作條件確定。在火電廠，給水流量及過熱蒸汽流量測量慣用材料為不銹鋼。（2）選定差壓計(jì)。包含選定差壓計(jì)型號；確定差壓計(jì)滿度流量以及對應(yīng)最大差壓。

1）差壓計(jì)型號選定。統(tǒng)一選擇DP1151、HP1151電容式差壓變送器。第39頁2）差壓計(jì)滿度流量值確實(shí)定。確實(shí)定是依據(jù)用戶給出最大流量向上圓整到要求系列值中一個(gè)鄰近值。要求流量計(jì)滿度系列值為其中a=1，1.2，1.6，2，2.5，3，4，5，6，8；n=0或任意正整數(shù)或負(fù)整數(shù)。比如=230t/h，圓整到=250t/h。

3）對應(yīng)確定。確實(shí)定是節(jié)流裝置設(shè)計(jì)計(jì)算中關(guān)鍵步驟。它不完全依靠計(jì)算來確定，而是在考慮一些相互矛盾原因后選擇一個(gè)最正確。定性地講，選擇較大差壓上限，最少有以下幾個(gè)好處：需要測量直管段長度較短；測量精度較高；適用流量范圍較寬。因?yàn)檩^大差壓能使β值較小，從而使推薦使用最小雷諾數(shù)較小，而實(shí)際使用最小雷諾數(shù)大于推薦使用最小雷諾數(shù)可能性大，測量范圍較寬。不過，較大差壓會引發(fā)較大壓力損失。所以能夠從限制條件出發(fā)選擇最大差壓。

第40頁（a）滿足時(shí)取值范圍確實(shí)定。由（β=0.7上游第二阻流件形式）確定出值。取，則，由（β

上游第一阻流件形式）確定出。是最小直管段時(shí)對應(yīng)直徑比。依據(jù)最小直管段長度L與β關(guān)系可知，要滿足，則必須使得設(shè)計(jì)確定β滿足。經(jīng)過以下計(jì)算可確定取值范圍，即而顯然應(yīng)有第41頁（b）滿足時(shí)取值范圍確實(shí)定。確定差壓上限計(jì)算式為標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（c）滿足最小雷諾數(shù)推薦值時(shí)取值范圍確實(shí)定。在標(biāo)準(zhǔn)中給出了標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)噴嘴最小雷諾數(shù)推薦值。設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)滿足以確保流出系數(shù)C值改變要求。令，查表估算對應(yīng)值。得到，可取；若，可取，則有而則應(yīng)有在火電廠中，給水流量、過熱蒸汽流量對應(yīng)值普通都較大，基本能滿足要求。在確定時(shí)，普通不考慮此項(xiàng)限制，只需在設(shè)計(jì)計(jì)算完成后進(jìn)行適應(yīng)性檢驗(yàn)即可。第42頁（d）不可壓縮流體滿足時(shí),即取值范圍確實(shí)定。設(shè)，則應(yīng)有對于此項(xiàng)限制，在確定時(shí)，可暫不考慮，只是在確定后再進(jìn)行檢驗(yàn)是否滿足上述要求即可。（e）不可壓縮流體滿足流體流經(jīng)節(jié)流件不發(fā)生汽化（不發(fā)生相變）要求取值范圍確實(shí)定。此時(shí)應(yīng)有（為當(dāng)初溫度下飽和壓力），也即或設(shè)則應(yīng)有在火電廠給水流量測量中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會發(fā)生流經(jīng)節(jié)流件時(shí)發(fā)生汽化情況。所以在電廠流量測量時(shí)，確定不由此考慮。在確定時(shí)，假如出現(xiàn)矛盾情況，則要適當(dāng)放寬已知條件中限制要求。最終確定值時(shí)，要考慮選擇差壓值滿足量程要求系列值，這些系列值包含：其中n為0或正、負(fù)整數(shù)。選擇連續(xù)可調(diào)整量程差壓計(jì)更輕易滿足限制要求。確定值后，慣用流量對應(yīng)差壓應(yīng)為第43頁（3）迭代計(jì)算。計(jì)算C、ε、β、時(shí)，也需要利用相關(guān)公式技進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算是在慣用流量和差壓下進(jìn)行，包括公式有1）輔助計(jì)算：查出流體密度、管道線膨脹系數(shù)、管道粗糙度K、節(jié)流件材料線膨脹系數(shù)、流體等熵指數(shù)k（過熱蒸汽k=1.30；空氣k=1.40）、流體動力粘度，并計(jì)算值、以及下量第44頁2）迭代計(jì)算C、ε、β、。將式中全部已知量放在等式一邊作為不變量，記為A，即將未知量放在等式另一邊，所以迭代公式為設(shè)弦截法計(jì)算中變量為則在假設(shè)第一個(gè)和后，就可依據(jù)上式和流出系數(shù)C及可膨脹系數(shù)ε計(jì)算公式進(jìn)行迭代計(jì)算。迭代初值可假設(shè)為，可依據(jù)不一樣節(jié)流件假設(shè)：對于標(biāo)準(zhǔn)孔板，可設(shè)對于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，可設(shè)第45頁迭代詳細(xì)步驟以下：①依據(jù)節(jié)流件形式，假設(shè)和。對于液體，令ε=1。②將和代入上式計(jì)算變量。③依據(jù)計(jì)算直徑比，即得到值后，計(jì)算流出系數(shù)和可膨脹系數(shù)。差值。④將和代入上式可得到變量，依據(jù)第③步可得、流出系數(shù)、可膨脹系數(shù)和差值⑤將、、、和代入弦截法計(jì)算公式得，依據(jù)第③步可得、、和差值。⑥假如，，普通迭代計(jì)算結(jié)束。依據(jù)就能夠求得，從而求得節(jié)流件開孔直徑。（4）計(jì)算節(jié)流件安裝位置和最大壓損。依據(jù)節(jié)流裝置直管段長度要求和實(shí)際管路布置系統(tǒng)，可得節(jié)流件最正確安裝位置，并驗(yàn)算；計(jì)算最大壓損，并驗(yàn)算。（5）計(jì)算所設(shè)計(jì)節(jié)流裝置測量不確定度。第46頁5.設(shè)計(jì)與計(jì)算方法對于第二類設(shè)計(jì)命題流量公式為：上式中未知量有：其中C有經(jīng)驗(yàn)公式：（１）（２）有經(jīng)驗(yàn)公式（孔板）或理論公式（其它節(jié)流件）：（３）（１）（２）（３）組成聯(lián)立方程，需求解未知數(shù)有四個(gè)，且為超越方程，即使未知數(shù)為１個(gè)，亦無法直接求出解析解。第47頁超越方程普通沒有解析解，而只有數(shù)值解或近似解，只有特殊超越方程才能夠求出解析解來。處理這類方程，工程數(shù)學(xué)中“數(shù)值分析”提供了一個(gè)求取數(shù)值解方法－迭代法，詳細(xì)方法簡明介紹以下：用迭代法求方程根碩士碩士課程—數(shù)值分析片段第48頁

考慮以下形式方程：

這種方程是隱式，因而不能直接求出它根。但假如給出根某個(gè)猜測值x。,將其帶入（1）式右端，即可求得：然后，我們又可取x1作為猜測值，深入得到：如此重復(fù)迭代，假如按公式：確定數(shù)列{xk}有極限：則稱迭代過程（2）收斂，此時(shí)顯然就是方程(1)根。（1）（2）第49頁

上述迭代法是一個(gè)逐次迫近法，其基本思想是將隱式方程（1）歸結(jié)為一個(gè)顯式計(jì)算公式（2）。就是說，迭代過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)逐次顯式化過程。我們用幾何圖像來顯示迭代過程，方程求根問題在xy平面上就是要確定曲線與直線y=x交點(diǎn)第50頁

對于某個(gè)近似值，在曲線可確定一點(diǎn)它以為橫坐標(biāo).而縱坐標(biāo)等于過引平行x軸直線，交直線y=x于點(diǎn)，然后過再作平行于y軸直線，它與曲線交點(diǎn)記作，則點(diǎn)橫坐標(biāo)為，縱坐標(biāo)則等于，按圖中箭頭所表示路徑繼續(xù)做下去，在曲線上得到點(diǎn)列…，其橫坐標(biāo)分別為依公式則對應(yīng)迭代值求得迭代值…假如點(diǎn)列｛｝趨向于點(diǎn)求根收斂到所第51頁比如求方程：

在附近根解：將方程寫成以下形式：據(jù)此建立迭代公式：K=0,1,2,3...n下表統(tǒng)計(jì)了各步迭代結(jié)果，我們看到，假如僅取6位數(shù)字那么結(jié)果x7與x8完全相同，這時(shí)能夠認(rèn)為x7實(shí)際上已經(jīng)滿足方程即為所求根。第52頁實(shí)際工程問題都有解，可按照“GB/T2624-”提供求解程式（詳見：常太華著《過程參數(shù)檢測及儀表》中國電力出版社第一版P193-P200），求出一組合了解。思索題：對于差壓式流量測量裝置第2類計(jì)算命題，其解是否唯一？為何？第53頁6.設(shè)計(jì)要求①依據(jù)所測流體合理選擇節(jié)流件形式；②差壓計(jì)選擇統(tǒng)一為DPHP1151電容式差壓變送器或擴(kuò)散硅式差壓變送器，但應(yīng)說明理由；確定流量測量系統(tǒng)滿刻度流量以及對應(yīng)最大差壓；③利用迭代法求解假如是人工計(jì)算，寫清全部步驟，包含迭代步驟，能夠手寫也能夠打?。患偃缡怯?jì)算機(jī)編程計(jì)算，要求附有源程序，并回答對應(yīng)編程問題，注程序不允許相互剽竊，一旦發(fā)覺程序雷同者，若其解合理，成績按“經(jīng)過”計(jì)分，若解不合理，發(fā)回重做，重新答辯。第54頁④計(jì)算一次裝置安裝位置和最大壓損。依據(jù)節(jié)流裝置直管段長度要求和實(shí)際管路布置系統(tǒng)，可得節(jié)流件最正確安裝位置，并驗(yàn)算；計(jì)算最大壓損，并驗(yàn)算⑤計(jì)算所設(shè)計(jì)差壓式流量測量裝置測量不確定度。第55頁濟(jì)南第三儀表廠有限企業(yè)節(jié)流裝置計(jì)算書協(xié)議編號：-7-20#計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：ISO5167項(xiàng)目名稱安裝位號2-2流體名稱過熱蒸汽數(shù)量1套訂貨時(shí)間-7-20訂貨內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)孔板安裝方式水平訂貨單位華電漯河發(fā)電有限企業(yè)節(jié)流件名稱角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計(jì)單位濟(jì)南第三儀表廠有限企業(yè)工藝條件刻度流量150最大流量150慣用流量70最小流量20流量單位T/h差壓上限（pa）40000工作壓力（絕壓）P1(MPa)2.1工況密度ρ１（kg/m3

）8.3911流體粘度μ1（mPa.s）0.0202工作溫度t(oC)300管道內(nèi)徑

(mm)510等熵指數(shù)k1.2922管道線膨脹系數(shù)１０＾－６mm/mmoC12.78節(jié)流件線膨脹系數(shù)１０＾－６mm/mmoC17.20相對濕度狀態(tài)上游阻力件情況相對濕度（%）管道粗糙度（mm）0.05壓縮系數(shù)Z1最大可能蒸汽壓（Pa）最大可能蒸汽密度（kg/m3）工況濕度Φ１（％）第56頁濟(jì)南第三儀表廠有限企業(yè)節(jié)流裝置計(jì)算書協(xié)議編號：-7-20#計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：ISO5167項(xiàng)目名稱安裝位號3-1流體名稱過熱蒸汽數(shù)量1套訂貨時(shí)間-7-20訂貨內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)孔板安裝方式水平訂貨單位華電漯河發(fā)電有限企業(yè)節(jié)流件名稱角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計(jì)單位濟(jì)南第三儀表廠有限企業(yè)工藝條件刻度流量150最大流量150慣用流量70最小流量10流量單位T/h差壓上限（pa）250000工作壓力（絕壓）P1(MPa)2.1工況密度ρ１（kg/m3

）8.3911流體粘度μ1（mPa.s）0.0202工作溫度t(oC)300管道內(nèi)徑