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蒸汽流量計測量原理及流量計算存在問題分析
蒸汽流量計測量原理及流量計算存在問題分析
 
    蒸汽流量計是一种测量管道流体流量的装置,因其具有结构简单,维修方便,性能稳定,使用可靠,适应恶劣环境等特点,广泛应用于煤矿瓦斯抽采气体流量测量。然而在实际应用过程中常常会遇到:测量数据是否准确?蒸汽流量計测出的量是工况量、标准状态下的量、还是常温状态下的量?计算公式种类很多,应该用哪一个?所用的公式是否正确?等等问题。因此,对蒸汽流量計测量原理、结构、公式来源进行分析,找到正确的公式,然后对实际应用过程中常见的问题进行分析解释。
 
1 蒸汽流量計结构及测定原理
 
1.1 结构
 
在管道裏插入1個與管軸垂直的金屬板,金屬板中心爲1個圓孔,孔的中心位于管道的中心線上,孔板稱爲節流元件。在孔板進氣側距離孔板1個管道直徑的位置,安裝1個測壓管;在孔板出氣側距離孔板半個直徑的位置,安裝1個測壓管。通過測壓管測出管道內氣體的2個壓力,2個壓力之差代入公式就可以計算出流量。如圖1。
 
 流體在管道截面I-I以前,以一定的速度流動,管內靜壓力爲p1。由于節流元件的孔徑小于管道內徑,當流體流經節流元件時,流體截面突然收縮,流速加快,靜壓降低。當流體流過圓孔以後,由于慣性作用,流體截面繼續收縮一定距離,到流體截面最小處,流體截面最小處(圖2中Ⅱ-Ⅱ)稱爲縮脈,流體在縮脈處的流速*,動能*,靜壓*。流體流過縮脈後,流體截面開始逐漸擴大,到管道截面Ⅲ-Ⅲ處,流體截面恢複到整個管道截面。
 
1.3 蒸汽流量計测量原理
 
根據伯努利原理:流體在等高流動時,流速大,靜壓就小。數學表達式爲:。那麽,流體從低速變爲高速後,靜壓也會從高壓p高變爲低壓p低,高壓p高與低壓p低之差△p(△p=p高-p低)的大小與流量有關,流量越大,△p也越大。因此,我們可以通過測量△p,推算出流量。
 
2 蒸汽流量計公式来源
 
根據單位質量能量守恒方程有:
 
    (1)
 
流動連續性方程:
 
    (2)
 
式中:p1、p2分別爲截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ處的*壓力,Pa;υ1、υ2分別爲截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ處的平均流速,m/s;ρ1、ρ2分別爲截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ處流體的密度,kg/m3;S1爲管道的截面積,m2;S2爲流體收縮到最小處的截面積,m2;S0爲孔板中心圓孔面積,m2;g爲重力加速度,m/s2。
 
對于不可壓縮流體,ρ1=ρ2=C(常數)。對于可壓縮流體,暫設ρ爲常數,推導出流量方程後,再引入膨脹系數。因此,由式(1)可得:
 
所以:
 
流體通過截面Ⅱ-Ⅱ的流量爲:
 
式中:a爲孔板結構特性系數,爲流速收縮系數,m爲孔板中心圓孔面積與管道面積之比,d爲孔板中心圓孔直徑,m;D爲管道直徑,m;Q爲流量,m3/s。
 
則:
 
對于可壓縮氣體,因p2<p1,所以ρ2<ρ1,引入膨脹系數,方程式爲:。由于壓力對密度影響很小,ρ2與ρ1近似相等。所以對于可壓縮流體,膨脹系數ε可以省略。
 
又:
 
所以:
 
又因:
 
式中:p0、V0、T0、ρ0、M0爲標准狀態下氣體的壓力、體積、溫度、密度和質量;p、V、T、ρ、M爲工況狀態下氣體的壓力、體積、溫度、密度和質量。
 
所以工況狀態下氣體的體積流量計算公式爲:
 
    (3)
 
設:p3、Q3、T3为常温状态(一个标准大气压,20℃)下的压力、体积、温度;則:p3=p0=101325Pa;T3=273+20=293K。
 
所以:又因:ρ0=(1-0.00446C)×1.293
 
設:
 
所以:
 
設:k=60.677ad2,則:
 
    (4)
 
上述各式中:Q为常温状态下管道内气体体积流量,m3/min;△p为蒸汽流量計测出的压差,Pa;C为瓦斯浓度;p为管道内气体的*压力,Pa;T为管道内气体的*温度,K;k为实际孔板流量特性系数;a为孔板结构特性系数,可查《采矿工程设计手册》中表8-7-69得到;d为孔板中心圆孔直径,m;b为瓦斯浓度校正系数;δp为压力校正系数;δt为温度校正系数。