過程參數(shù)檢測及儀表課程設(shè)計(1)

1、整理課件1過程參數(shù)檢測及儀表課程設(shè)計差壓式流量裝置設(shè)計與計算設(shè)計學(xué)時：一周考核方式：設(shè)計報告、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)隊整理課件2 背景及意義 理論依據(jù)GB/T2624.3-2006 一次裝置的形式及取壓裝置 設(shè)計命題 設(shè)計與計算方法 設(shè)計要求 注意事項整理課件31.背景及意義 熱力發(fā)電廠涉及的流量測量，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的解決方案是采用差壓式流量測量裝置。事實上，目前熱（火）力發(fā)電廠80%以上的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，而實現(xiàn)對流體差壓的測量，已

2、有非常成熟的技術(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、可靠性和長期穩(wěn)定性高；3.通過長期的實驗，積累了大量的實驗數(shù)據(jù)，自1980年代以來，計算機(jī)技術(shù)與工程數(shù)學(xué)的有機(jī)結(jié)合，使信息處理技術(shù)取得了質(zhì)的飛躍。通過處理保留的實驗歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合，得出了非常簡單但十分準(zhǔn)確的經(jīng)驗公式，使得差壓式流量裝置具有高準(zhǔn)確性；整理課件44.差壓式流量測量裝置流量與差壓之間的關(guān)系以“流量測量節(jié)流裝置國家標(biāo)準(zhǔn)”的形式公布，流量與差壓之間一一對應(yīng)關(guān)系以及流量測量的不確定度可按“標(biāo)準(zhǔn)”計算確定，無需標(biāo)定，實用性強(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

3、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。整理課件52.理論依據(jù)GB/T2624.3-2006.差壓式流量測量裝置測量流量的理論基礎(chǔ)是流體流動的能量守恒方程，及伯努利方程（Bernoullis equation，1738）和流體流動的連續(xù)性方程。 節(jié)流件的阻力系數(shù)。近于，并隨雷諾數(shù)增大漸趨，其值大于，對于充分發(fā)展的紊流動能時采用的修正系數(shù)算流速代替中心點流速計處流速不均勻，以平均、截面，式中。CCvdvDvvCpvCp11214422221222221212222222221111整理課件6整理課件7amvvvmvmmPpmkgmDdskgqsmqpDpdqpDCpd

4、CqqqpDpdqpDCpdCq；差壓；密度或直徑；質(zhì)量流量為：體積流量流量公式中各量的單位或：所以體積流量為：體積流量或：流量公式可以統(tǒng)一寫成3131221212241241122121224124/2424241241,2424241241整理課件8差壓式流量測量裝置的流出系數(shù)C或流量系數(shù) 是在流量試驗臺上測定 和與之對應(yīng)的 后用上述流量公式計算得出， 或C與節(jié)流的形式、取壓方式、節(jié)流件前后直管段長度流體流動的雷諾數(shù) 節(jié)流件的開孔直徑比eDRmq)(eDRfC、p及管道內(nèi)壁粗糙度有關(guān)。在選定節(jié)流件的形式及取壓裝置后，使節(jié)流件前后直管段長度和管道內(nèi)壁粗糙度符合規(guī)定后，流出系數(shù)C和流量系數(shù)僅與

5、和有關(guān)。eDR的解析式不準(zhǔn)確已知。實驗所得的和mqp是上的點，通過曲線擬合得出的經(jīng)驗公式由GB/T 2624.3-2006給出。)(eDRfC、整理課件9差壓式流量測量裝置的定義：規(guī)定了一次裝置的外形、尺寸、加工方式的同時規(guī)定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”。整理課件10GB/T 2624的本部分規(guī)定了噴嘴和文丘里噴嘴的幾何尺寸和安裝在管道中測量滿管流體流量的使用方法（安裝和工作條件），同時提供了用于計算流量并可配合GB/T 1624.1規(guī)定要求一起使用的相關(guān)資料。 等同ISO 5167-3-2003 英文名稱：英文名稱： Measuremen

6、t of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full采標(biāo)情況：采標(biāo)情況： 標(biāo)準(zhǔn)簡介標(biāo)準(zhǔn)簡介 發(fā)布日期：發(fā)布日期： 2006-12-13發(fā)布日期：發(fā)布日期： 2006-12-13 發(fā)布部門：發(fā)布部門： 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會起草單位：起草單位：提出單位：提出單位： 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會主管部門：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)流裝置制造有限公司、上海

7、光華儀表有限公司等整理課件11G2624.1GB/T2624.1-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量:一般原理和要求G2624.1GB/T2624-2006用安裝在圓形截面管道用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量中的差壓裝置測量滿管流體流量內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介G2624.3GB/T2624.3-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量:噴嘴和文丘里噴嘴G2624.4GB/T2624.4-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量:文丘里管G2624.2GB/T2624.2-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流

8、量:孔板整理課件12整理課件13整理課件14整理課件15整理課件163.一次裝置的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、后喉部取壓單獨鉆孔取壓整理課件17整理課件18整理課件19整理課件20整理課件21整理課件22整理課件23整理課件24整理課件25整理課件26整理課件27整理課件28整理課件29角接取壓口整理課件30D和D/2取壓口或法蘭取壓口孔板的取壓口問題整理課件31整理課件32整理課件33整理課件34整理課件35整理課件36整理課件374 4 差壓式流量測量裝置的設(shè)計命題差壓式流量測量裝置的設(shè)計命題

9、差壓式流量測量裝置的計算，根據(jù)實際的需要大致可分成如下兩類。（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，要求根據(jù)所測得的差壓值 計算被測介質(zhì)的流量。（2）已知管道內(nèi)徑D及其布置情況、被測介質(zhì)的參數(shù)性質(zhì)、流量范圍，要求設(shè)計一個標(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)流件在管道的安裝位置；計算流量測量不確定度。p整理課件38第二類命題的設(shè)計計算步驟已知：被測流體及其工作壓力 、工作溫度t，最大流量 常用流量 、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的情況。給出的限制條件有最小直管段

10、（實際直管段長度）；壓力損失 。要求完成一下工作：（1）選定節(jié)流件的形式（類型、取壓方式）；（2）選定差壓計；（3）計算C、 ；（4）計算所需最小直管段 、 、 ，并驗算 ；（5）計算最大壓損 ，并驗算 ；（6）計算所設(shè)計的節(jié)流裝置的測量不確定度。1pmmixqmchqmaxmq20DxLL yppmax20d0l1l2l)(210lllLLLxmaxpyppmax整理課件39 對于該命題，根據(jù)已知條件完成設(shè)計計算，結(jié)果不是唯一的。因為在被測流體的管道上安裝的節(jié)流件，其值是可大可小的。由于在已知條件中用戶提出了限制要求（ ， ），所以設(shè)計結(jié)果是在滿足限制要求下的多種設(shè)計結(jié)果。 該命題的設(shè)計計算

11、是在一個確定的流量下進(jìn)行的?？紤]到差壓流量計在分度時，為提高測量精確度，使用的C和值是常用流量 對應(yīng)下的數(shù)值，所以設(shè)計計算選定在常用流量 下進(jìn)行。 設(shè)計步驟如下： （1）選定一次裝置的形式。如果用戶提出的壓力損失限值比較大或不要求，可以選定標(biāo)準(zhǔn)孔板。如用戶提出的壓損限值較小，可以選定標(biāo)準(zhǔn)噴嘴或文丘里管等。對于取壓方式，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中提供的方式確定。目前在火力發(fā)電廠常用角接取壓標(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)孔板或噴嘴所選用的材料根據(jù)適用的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常用的材料為不銹鋼。 （2）選

12、定差壓計。包括選定差壓計的型號；確定差壓計的滿度流量 以及對應(yīng)的最大差壓 。 1 ）差壓計型號的選定。統(tǒng)一選擇DP1151、HP1151電容式差壓變送器。xLL yppmaxmchqmchq*maxmqmaxp整理課件40 2）差壓計滿度流量值 的確定。 的確定是根據(jù)用戶給出的最大流量 向上圓整到規(guī)定系列值中的一個鄰近值。規(guī)定的流量計滿度系列值為其中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)。 例如 =230t/h ，圓整到 =250t/h。 3）對應(yīng)的的 確定。 的確定是節(jié)流裝置設(shè)計計算中的關(guān)鍵步驟。它不完全依靠計算來確定，而是在考慮一些相互矛盾的因素

13、后選擇一個最佳的 。 定性地講，選擇較大的差壓上限，至少有以下幾個好處： 需要的測量直管段長度較短；測量精度較高；適用的流量范圍較寬。因為較大的差壓能使值較小，從而使推薦使用的最小雷諾數(shù)較小，而實際使用的最小的雷諾數(shù)大于推薦使用的最小的雷諾數(shù)的可能性大，測量范圍較寬。 但是，較大的差壓會引起較大的壓力損失。所以可以從限制條件出發(fā)選擇最大的差壓。 *maxmq*maxmqmaxmqnkaq10maxmqmaxmqmaxpmaxpmaxp整理課件41（a）滿足 時的 取值范圍的確定。由 （ =0.7上游第二阻流件形式）確定出 值。取 ，則 ，由 （ 上游第一阻流件形式）確定出 。 是最小直管段 時

14、對應(yīng)的直徑比。根據(jù)最小直管段長度L與的關(guān)系可知，要滿足 ，則必須使得設(shè)計確定的滿足 。通過以下計算可確定 的取值范圍，即而顯然應(yīng)有LXL maxpfl00lDl52llLlX201fl1LxL LXL maxp)Re,(DchfC222412max1)14(2tmDCqp222412maxmax)14(2DqtmCpmax1pp11整理課件42（b）滿足 時 取值范圍的確定。確定差壓上限的計算式為標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（c）滿足最小雷諾數(shù)推薦值 時的 取值范圍的確定。在標(biāo)準(zhǔn)中給出了標(biāo)準(zhǔn)孔板的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的最小雷諾數(shù)推薦值。設(shè)計計算應(yīng)滿足 以保證流出系數(shù)C值變化的要求。令 ，查表估算相應(yīng)的 值。得到的 ，

15、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)的 值一般都較大，基本能滿足 的要求。在確定 時，一般不考慮此項限制，只需在設(shè)計計算完畢后進(jìn)行適應(yīng)性的檢驗即可。ppymaxmaxpppy)5 . 22(maxppy)5 . 33(maxminReDmaxp)(ReReminminDD5 . 05 . 05 . 0)Re,(DehfC222412max2)14(2DqtmCp222412maxmax)14(2DqtmCp11ppmax2qmminqmminminReDDmenDMINReRemaxpDmenDMINReRe整理課件43（d）不可壓縮流體滿足 時,即 的

16、 取值范圍的確定。設(shè) ，則應(yīng)有對于此項限制，在確定 時，可暫不考慮，只是在確定 后再進(jìn)行檢驗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）要求的 取值范圍的確定。此時應(yīng)有 （ 為當(dāng)時溫度下的飽和壓力），也即 或設(shè)則應(yīng)有在火電廠給水流量的測量中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會發(fā)生流經(jīng)節(jié)流件時發(fā)生汽化的情況。因此在電廠流量測量時，確定 不由此考慮。在確定 時，如果出現(xiàn)矛盾的情況，則要適當(dāng)放寬已知條件中的限制要求。最后確定 的值時，要考慮選擇差壓值滿足量程規(guī)定的系列值，這些系列值包括： 其中n為0或正、負(fù)整數(shù)。選擇連續(xù)可調(diào)整量程的差壓計更容易滿足限制要求。確定 值后，常用流量對應(yīng)的差壓

17、 應(yīng)為chpmax2max)(pqqpmmchchmaxpn10)6 , 4 , 5 .2 , 6 .1 , 1 (pp4max25.01PP75.012PPmaxp1325. 0PP 3maxpPmaxpmaxpmaxpspp 2spsppp)(1ppps)(1spPP) 3 . 12 . 1 (14maxpmaxpmaxp整理課件44（3）迭代計算。計算C、 、 時，也需要利用相關(guān)的公式技進(jìn)行迭代計算。計算是在常用流量 和差壓 下進(jìn)行，涉及的公式有1）輔助計算：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）、

18、流體的動力粘度 ，并計算值 、 以及下量20dmchqchpchtmchpdCq124241)Re,(DchfC),(1kppfchbappp1),(1tpaDd),(tpa1ppchtDK)20(1 20tDDDttmchDchDq4RetmDDqminmin4Re整理課件452）迭代計算C、 、 。將式中的所有已知量放在等式的一邊作為不變量，記為A，即將未知量放在等式的另一邊，所以迭代公式為設(shè)弦截法計算中的變量為 則在假設(shè)第一個和后，就可根據(jù)上式和流出系數(shù)C及可膨脹系數(shù)的計算公式進(jìn)行迭代計算。迭代初值可假設(shè)為 ， 可根據(jù)不同的節(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)20dcht

19、mpDqA1224221CA)/(142CAX100C8201840.00313.05959.0C1.402262.09900.0C整理課件46迭代的具體步驟如下：根據(jù)節(jié)流件的形式，假設(shè) 和 。對于液體，令 =1。將 和 代入上式計算變量 。根據(jù) 計算直徑比 ，即得到值 后，計算流出系數(shù) 和可膨脹系數(shù) 。差值 。將 和 代入上式可得到變量 ，根據(jù)第步可得 、流出系數(shù) 、可膨脹系數(shù) 和差值 將 、 、 、和 代入弦截法計算公式得 ，根據(jù)第步可得 、 、 和差值 。如果 ， ，一般 迭代計算結(jié)束。根據(jù) 就可以求得 ，從而求得節(jié)流件開孔直徑 。（4）計算節(jié)流件的安裝位置和最大壓損 。根據(jù)節(jié)流裝置直管

20、段長度要求和實際的管路布置系統(tǒng)，可得節(jié)流件的最佳安裝位置，并驗算 ；計算最大壓損 ，并驗算 。（5）計算所設(shè)計的節(jié)流裝置的測量不確定度。0C00C0)/(001CAX 1X14/1221)1(XX11C11111CXA1C1)/(112CAX 22C221X2X21212111nnnnnnnXXXX3X333C3eAnne1015nnXn1dyppmaxmaxpmaxp)(210lllLLLx整理課件475.設(shè)計與計算方法對于第二類設(shè)計命題流量公式為：pDCpdCqm1224124241241上式中的未知量有：)(、ppfCp其中C有經(jīng)驗公式：)(eDRfC、（）（）有經(jīng)驗公式（孔板）或理論公

21、式（其它節(jié)流件）：（）（）（）（）組成聯(lián)立方程，需求解的未知數(shù)有四個，且為超越方程，即使未知數(shù)為個，亦無法直接求出解析解。整理課件48超越方程一般沒有解析解，而只有數(shù)值解或近似解，只有特殊的超越方程才可以求出解析解來。 解決這類方程，工程數(shù)學(xué)中“數(shù)值分析”提供了一種求取數(shù)值解的方法迭代法，具體方法簡要介紹如下：用迭代法求方程的根碩士研究生課程數(shù)值分析片段整理課件49 考慮下列形式的方程：)(xx 這種方程是隱式的，因而不能直接求出它的根。但如果給出根的某個猜測值x。,將其帶入（1）式的右端，即可求得：)(01xx然后，我們又可取x1作為猜測值，進(jìn)一步得到：如此反復(fù)迭代，如果按公式：)(12xx

22、)(1kkxx確定的數(shù)列xk有極限：)(lim*kkxx則稱迭代過程（2）收斂，此時的顯然就是方程(1)的根。（1）（2）整理課件50 上述迭代法是一種逐次逼近法，其基本思想是將隱式方程（1）歸結(jié)為一種顯式的計算公式（2）。就是說，迭代過程實質(zhì)上是一個逐次顯式化的過程。我們用幾何圖像來顯示迭代過程，方程)(xy的求根問題在xy平面上就是要確定曲線)(xx與直線y=x的交點*pxyoP*Q2Q1y=x)(xyP2P1P0X*x2x1x0整理課件51 對于 的某個近似值 ，在曲線 可確定一點 它以 為橫坐標(biāo).而縱坐標(biāo)等于 過 引平行x軸的直線，交直線y=x于點 ，然后過 再作平行于y軸的直線，它與

23、曲線 的交點記作 ，則點 的橫坐標(biāo)為 ，縱坐標(biāo)則等于 ，按圖中箭頭所示的路徑繼續(xù)做下去，在曲線 上得到點列 ，*x0 x)(xy0p0 x10)(xx0p1Q1Q)(xy1p1p1x21)(xx)(xy1p2p其橫坐標(biāo)分別為依公式則相應(yīng)的迭代值)(1kkxx求得的迭代值1x2x如果點列 趨向于點kp*p求的根kx收斂到所*x整理課件52例如求方程： 01)(3xxxf在5 . 10 x附近的根*x解：將方程寫成下列形式：31xx據(jù)此建立迭代公式：311kkxxK=0,1,2,3.n下表記錄了各步迭代的結(jié)果，我們看到，如果僅取6位數(shù)字那么結(jié)果x7與x8完全相同，這時可以認(rèn)為x7實際上已經(jīng)滿足方程

24、01)(3xxxf即為所求的根。整理課件53實際工程問題均有解，可按照“GB/T2624-2006”提供的求解程式（詳見：常太華 著 過程參數(shù)檢測及儀表 中國電力出版社 2006年 第一版P193-P200），求出一組合理解。思考題：對于差壓式流量測量裝置第2類計算命題，其解是否唯一？為什么？整理課件546.設(shè)計要求根據(jù)所測流體合理選擇節(jié)流件的形式；差壓計選擇統(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max*mq以及對應(yīng)的最大差壓 ；maxp 利用迭代法求解C20d如果是人工計算，寫清所有步驟，包括迭代步驟，可以手寫也可以打?。蝗绻怯?/p>

25、算機(jī)編程計算，要求附有源程序，并回答相應(yīng)的編程問題，注 程序不允許互相抄襲，一旦發(fā)現(xiàn)程序雷同者，若其解合理，成績按“通過”計分，若解不合理，發(fā)回重做，重新答辯。整理課件55計算一次裝置的安裝位置和最大壓損 。根據(jù)節(jié)流裝置直管段長度要求和實際的管路布置系統(tǒng)，可得節(jié)流件的最佳安裝位置，并驗算 ；計算最大壓損 ，并驗算 yppmaxmaxpmaxp)(210lllLLLx計算所設(shè)計的差壓式流量測量裝置的測量不確定度。整理課件56濟(jì)南第三儀表廠有限公司節(jié)流裝置計算書濟(jì)南第三儀表廠有限公司節(jié)流裝置計算書合同編號：2010-7-20# 計算標(biāo)準(zhǔn)： ISO5167項目名稱安裝位號2-2流體名稱過熱蒸汽數(shù)量1

26、套訂貨時間2010-7-20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)電有限公司節(jié)流件名稱角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計單位濟(jì)南第三儀表廠有限公司工藝條件工藝條件刻度流量150最大流量150常用流量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（ kg/m3 ）8.3911流體粘度1（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)mm/mmoC12.78節(jié)流件線膨脹系數(shù)mm/mmoC17.20相對濕度狀態(tài)上游阻力件狀況相對濕度（%）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（）整理課件57濟(jì)南第三儀表廠有限公司節(jié)流裝置計算書濟(jì)南第三儀表廠有限公司節(jié)流裝置計算書合同編號：2010-7-20# 計算標(biāo)準(zhǔn)： ISO5167項目名稱安裝位號3-1流體名稱過熱蒸汽數(shù)量1套訂貨時間2010-7-20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)電有限公司節(jié)流件名稱角