
В производственных процессах таких отраслей, как нефтяная, химическая, металлургическая, энергетическая, легкая промышленность, легкая текстильная промышленность, научные исследования и оборонная промышленность, до сих пор широко используются различные типы расходомеров разности давления для измерения, регулирования и контроля расхода.
В производственных процессах таких отраслей, как нефтяная, химическая, металлургическая, энергетическая, легкая промышленность, легкая текстильная промышленность, научные исследования и оборонная промышленность, до сих пор широко используются различные типы расходомеров разности давления для измерения, регулирования и контроля расхода. Несмотря на появление в последние годы новых типов приборов, таких как электромагнитные и вихревые расходомеры, расходомеры разности давления по-прежнему занимают абсолютное превосходство благодаря таким преимуществам, как простота конструкции, прочность, надёжность работы, стабильность характеристик, умеренная точность и доступная цена.
Под расходомером разности давлений понимается прибор, измеряющий расход на основе разности давлений, создаваемой установленным в трубопроводе датчиком расхода, известных параметров рабочей среды и геометрических размеров датчика и трубопровода. Расходомер разности давлений состоит из первичного устройства (дроссельного устройства) и вторичного прибора (преобразователя разности давлений и прибора отображения расхода). В частности, появившиеся недавно интеллектуальные датчики разности давления, выполненные в виде единого блока с дроссельным устройством, не только значительно упрощают монтаж и приносят большие преимущества (пользователю не нужно прокладывать монтажные трубопроводы), но и позволяют реализовать такие функции, как автоматическая компенсация температуры и давления, диагностика неисправностей, очень широкий диапазон измерения, настройка диапазона измерения на месте, а также связь с вышестоящим компьютером, что ещё больше расширяет сферу применения дроссельных устройств.
Классификация расходомеров разности давления по типу измерительного элемента — можно выделить расходомеры с диафрагмой, расходомеры с трубкой Вентури, расходомеры с соплом, расходомеры с трубкой равномерной скорости и т. д.
Классификация расходомеров разности давления по принципу действия измерительного элемента — можно выделить несколько основных типов: дроссельные, с динамическим напором, с гидравлическим сопротивлением, центробежные, с усилением динамического давления и струйные.
Классификация расходомеров разности давления по степени стандартизации измерительного элемента — можно выделить две основные категории: стандартные и нестандартные. Под стандартным дроссельным устройством понимается устройство, которое проектируется, изготавливается, устанавливается и эксплуатируется в соответствии со стандартными документами, позволяющее определять значение расхода и оценивать погрешность измерения расхода без необходимости калибровки на реальной потоке; нестандартное дроссельное устройство — это измерительный элемент, степень зрелости которого недостаточна и который еще не включен в стандартные документы.
1. Трубопровод должен быть полностью заполнен жидкостью, а поток должен быть непрерывным.
2. Жидкость должна быть ньютоновской (например, обычная вода, растворы кислот и щелочей, перегретый пар, различные газы, сухой насыщенный пар); вблизи дроссельного устройства не должно происходить изменения фазового состояния жидкости (из жидкого в газообразное или наоборот); жидкость должна быть однофазной (газовой или жидкой) или может рассматриваться как однофазная система с небольшим количеством твердых частиц, например, в потоке газа равномерно распределенные твердые частицы не должны превышать 2 % (по массе), а в потоке жидкости равномерно распределенные пузырьки не должны превышать 5 % (по объему).
3. Перед прохождением через дроссельное устройство поток жидкости должен быть параллелен оси трубопровода; не допускается вращательное или эксцентричное течение, а также пульсирующее или критическое течение.
Основные принципы
Когда жидкость, заполняющая трубопровод, протекает через дроссельное устройство внутри трубы, как показано на рис. 2.1, скорость потока в месте дроссельного устройства локально снижается, в результате чего скорость увеличивается, а статическое давление понижается, что приводит к образованию перепада давления до и после дроссельного устройства. Чем больше расход жидкости, тем больше образующийся перепад давления, поэтому величину расхода можно определять по перепаду давления. Этот метод измерения основан на уравнении непрерывности потока (законе сохранения массы) и уравнении Бернулли (законе сохранения энергии). Величина перепада давления зависит не только от расхода, но и от многих других факторов. Например, при различных типах дроссельных устройств или при разных физических свойствах жидкости в трубопроводе (плотность, вязкость) перепад давления при одинаковом расходе будет различаться.
Уравнение расхода
На основании уравнения непрерывности потока (закон сохранения массы) и уравнения Бернулли (закон сохранения энергии) можно получить основное уравнение расхода:
В формуле:
gm: массовый расход, кг/с
qv: объемный расход, м³/с
C: коэффициент расхода;
e: коэффициент расширяемости;
B: отношение диаметров, β = d/D;
d: диаметр отверстия дросселя в рабочих условиях, м;
D: внутренний диаметр трубопровода перед дросселем в рабочих условиях, м;
△P: перепад давления, Па;
P: плотность жидкости перед дросселем, кг/м³
1. Стандартные диафрагмы
Это стандартные дроссельные устройства с широким диапазоном типоразмеров, отличающиеся простотой конструкции и высокой адаптивностью. Они широко применяются для измерения расхода различных сред, в частности газов. Их проектирование, изготовление и эксплуатация соответствуют требованиям международного стандарта ISO 5167, а поверка проводится в соответствии с национальным стандартом JJG 640-97. Стандартные диафрагмы в зависимости от способа отбора давления подразделяются на три типа: угловой отбор давления (включая отбор давления через кольцевую камеру и отбор давления через отдельное отверстие), фланцевый отбор давления и отбор давления на расстоянии D-D/2.
2. Стандартные форсунки
Расходомеры с соплами имеют долгую историю, и для них имеется полный набор экспериментальных данных. Они отличаются простой конструкцией, отсутствием движущихся частей, стабильностью и надежностью при длительной эксплуатации, а также богатым опытом в области проектирования, производства и применения. Благодаря высокой степени стандартизации их не требуется калибровать с использованием реального потока. Стандартные сопла имеют надёжные экспериментальные данные и полные международные и национальные стандарты. Они занимают огромный рынок как за рубежом, так и внутри страны; пользователи хорошо с ними знакомы, а данные о них полны; расчёты и изготовление осуществляются в соответствии с международными стандартами, что обеспечивает гибкость и удобство использования; в настоящее время они являются одними из наиболее широко применяемых разностно-давлениях расходомеров в Китае и широко используются во многих отраслях, таких как нефтяная, химическая, горно-металлургическая, металлургическая, энергетическая, гидроэнергетическая, целлюлозно-бумажная, фармацевтическая, пищевая и химико-волокнистая промышленности.
Стандартные сопла бывают двух конструкций: сопла ISA1932 и сопла с удлинённым диаметром. Их проектирование и изготовление соответствуют международному стандарту ISO 5167 или национальному стандарту GB/T 2624; благодаря дугообразной форме входной части они обладают повышенной износостойкостью и часто используются для жидкостей, находящихся под высоким давлением и при высоких температурах (например, перегретый пар, главная подача пара и т. д.).
Сопла ISA1932
Сопла, верхняя часть которых состоит из плоскости, перпендикулярной оси, сужающегося участка, очерченного двумя дугами окружности, цилиндрического горловины и канавки. У сопел ISA1932 существует только один способ отбора давления — угловой.
Основные технические параметры
Номинальный диаметр: DN50–DN500+
Разработка и изготовление в соответствии с национальным стандартом GB/T2624-93; заводская калибровка в соответствии с национальным протоколом калибровки JJG640-94
Способ отбора давления: угловой отбор давления, фланцевый отбор давления
Базовая точность: ±0,5 %, 1 %, ±1,5 %+
Диапазон расхода: 1:150
Номинальное давление: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16; 32 (МПа)
Измеряемая среда: вода, воздух, природный газ, насыщенный пар, перегретый пар, другие смешанные среды
Температура измеряемой среды: стандартный диапазон –10 °C ~ +450 °C; при выходе за пределы этого диапазона проконсультируйтесь с производителем
Сопла с удлинённым диаметром
Сопла, верхняя часть которых состоит из плоскости, перпендикулярной оси, сужающегося участка в форме 1/4 эллипса, цилиндрического горловины и возможных канавок или скосов. Обладает высокой коррозионной стойкостью, часто используется для измерения потоков жидкостей и газов при высоких температурах и давлениях (например, перегретого пара, главного пара котлов, химических растворов и т. д.). Широко применяется в электроэнергетике для измерения главного пара, а также в атомной энергетике — для измерения главного питательного водоснабжения и других потоков жидкостей и газов при высоких температурах и давлениях. У сопла с удлинённым диаметром предусмотрен только один способ отбора давления — D-D/2.
Основные технические параметры
● Номинальный диаметр: DN50–DN600
● Разработано и изготовлено в соответствии с национальным стандартом GB/T2624-93
● Заводская калибровка в соответствии с национальным протоколом калибровки JJG 640-94
● Способ отбора давления: отбор давления на расстоянии от диаметра
● Базовая точность: 2 %
● Диапазон расхода: ≥1:15
● Номинальное давление: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16; 32; 42 (МПа)
● Измеряемая среда: вода, воздух, природный газ, насыщенный пар, перегретый пар, другие смешанные среды
● Температура измеряемой среды: стандартный диапазон от -10 °C до +450 °C; при выходе за пределы этого диапазона проконсультируйтесь с производителем
3. Классическая трубка Вентури
Классическая трубка Вентури также называется традиционной трубкой Вентури. Обычно её называют стандартной трубкой Вентури. Соответствует стандартам ISO 5167 или GSfT 2624. Используется для измерения расхода однофазной стабильной жидкости в закрытых трубопроводах; часто применяется для измерения расхода таких жидкостей, как воздух, природный газ, городской газ, вода и т. д.
Характеристики классической трубки Вентури:
Простая конструкция, долговечность, стабильные рабочие характеристики.
Небольшой перепад давления, что позволяет экономить энергию, необходимую для транспортировки жидкости.
В диапазоне проходных сечений от 50 до 1200 калибровка с реальным потоком не требуется. За пределами этого диапазона можно ориентироваться на проектные данные при изготовлении. При необходимости обеспечения более высокой точности можно провести калибровку с реальным потоком.
Установочные размеры корпуса довольно большие, что затрудняет транспортировку и монтаж приборов большого диаметра.
Основные технические параметры классической трубки Вентури:
Номинальный диаметр (мм): DN50–DN200 (~2600)+
Номинальное давление (МПа): 0,25–40 (~63)
Точность (неопределенность): ±1 %–±15 %
| Тип | Номинальный диаметр | Коэффициент диафрагмы β | Диапазон чисел Рейнольдса | Материал |
| Участок усадки грубой отливки | 100mm≤DN≤800mm | 0.3≤β≤0.75 | 2×105≤Re ≤2×106 | чугун или медь |
| Участок механической обработки с сужением | 50mm≤DN≤250mm | 0.4≤β≤0.75 | 2×105≤Re ≤2×106 | Углеродистая сталь или нержавеющая сталь |
| Участок усадки грубосварной стальной плиты | 200mm≤DN≤1200mm | 0.4≤β≤0.7 | 2×105≤Re ≤2×106 | Углеродистая сталь или нержавеющая сталь |
Классическая конструкция трубы Вентури
Осевое сечение классической трубы Вентури показано на рисунке выше. Она состоит из входного цилиндрического участка A, конического сужающегося участка B, цилиндрического горлового участка C и конического расширяющегося участка E. Диаметр цилиндрического участка A равен D, а его длина — D; сужающийся участок B имеет коническую форму и угол наклона 21° ± 1°; горловина C представляет собой круглый цилиндрический участок диаметром d, длина которого равна d; расширяющийся участок E имеет коническую форму, угол расширения составляет 7°–15°.
4. Диафрагма с ограничением расхода
Дроссельные диафрагмы используются для снижения давления в трубопроводах или для ограничения расхода жидкости в трубопроводах. Расчеты для подбора типоразмера и определения размеров отверстий выполняются в соответствии с международным стандартом ISO 5167. Данная технология является проверенной и подходит для большинства размеров трубопроводов. Обычно диафрагмы устанавливаются между двумя фланцами трубопровода, герметизируются с помощью подходящих прокладок и закрепляются болтами. В ассортименте продукции имеются дроссельные диафрагмы, совместимые с фланцами типа RTJ.
Размеры
Габаритные размеры приведены на рисунке справа. Мы рекомендуем использовать диафрагмы с ручкой для облегчения монтажа и демонтажа, а также с нанесенной на них постоянной игольной маркировкой, содержащей основную информацию о размерах, материале и отверстиях диафрагмы.
Как показано на рисунке, внешний диаметр диафрагмы равен диаметру окружности, описывающей центры болтов соединительного фланца, за вычетом диаметра болтов, что обеспечивает точное центрирование диафрагмы. Толщина диафрагмы зависит от диаметра трубы и величины перепада давления; она должна быть достаточной для предотвращения изгиба диафрагмы в условиях эксплуатации.
Материалы
Стандартные материалы включают нержавеющую сталь 316, нержавеющую сталь 304, нержавеющую сталь 310, сплав Хэстэллоя C276, Хэстэллой B3, бифазную нержавеющую сталь, супербифазную нержавеющую сталь, Моннель 400, углеродистую сталь, титан, никель 600, тантал, ПТФЭ и ПВДФ и т. д. По вопросам использования других специальных материалов обращайтесь к торговым представителям.
5. Встроенная диафрагма
Данный тип диафрагм представляет собой единое целое, состоящее из диафрагмы и отрезка измерительной трубы; как правило, они применяются для труб малого диаметра (DN < 50 мм), поэтому их также называют диафрагмами для труб малого диаметра. При DN = 50 они относятся к стандартным диафрагмам и могут изготавливаться в соответствии с международным стандартом ISO 5167; при DN < 50 они относятся к нестандартным диафрагмам, коэффициент расхода которых можно рассчитать по формуле Штольца; если требуемая точность составляет ±2,5 % или выше, рекомендуется провести калибровку в реальных условиях.
Особенности:
Компактная конструкция, прочность, долговечность и надежность в эксплуатации.
Возможность измерения малых расходов, удобство монтажа на месте.
Требуется установка участка точно обработанной прямой трубы (обычно 5D перед датчиком и 2D после него).
Основные технические параметры:
Номинальный диаметр (мм): DN15–DN150
Номинальное давление (МПа): ≤63
Точность (неопределенность): ±25 %