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天然气气体粘度和雷诺数计算
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气体压力及流量的测量
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基于粘度修正理论微流体阻尼特性分析.pdf55页
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伴随微电子机械系统的发展，微流体技术成为微电子机械领域研究的热门。
本文回顾了微流体的发展，介绍了主要的微流体器件和微流体系统，指出当
前微流体研究所面临的问题及解决方法，并对微流体领域的发展前景进行了预测。
论文对微流体计算引入了宏观修正方法，绘制管径．当量粘度系数图，提出用曲线
插值方法获取当量粘度；应用当量粘度法对流体仿真过程进行了修正，通过合理
选取当量粘度，使仿真结果与试验观察结果很好符合。并且利用当量粘度修整理
论对圆形、矩形截面及大平板问微流体流动阻尼和微圆盘及环状微盘下的流动特
性、阻尼进行了解析公式的推导，得出了在宏观理论下通过粘性修正后的微流体
阻尼计算公式。最后以课题《微小型主动热控制理论和系统设计方法》报告为指
导，分析了微小型主动热控制系统的多功能实验装置，通过测量微通道和连通管
在不同流速下的水头损失，绘制了其流动阻力特性曲线，实验结果再次证明合理
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关键词：微流体当量粘度流动阻尼粘性修正
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technology
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92气体流量计量的全补偿计算法
第15卷第3期2002年9月；《燃气轮机技术》GASTURBINETECHNO；气体流量计量的全补偿计算法；刘清林；(东莞虎门电厂,广东东莞523899)；摘要:详细介绍了差压式气体流量测量的全补偿计算方；关键词:差压式气体流量计量;全补偿;计算；中图分类号:TK313文献标识码:B文章编号:1；1概述；差压式流量测量系统一直是广泛使用的流量计量仪表,；量,
第15卷　第3期2002年9月Ξ　《燃　气　轮　机　技　术》GASTURBINETECHNOLOGYVol115　No.3　Sep.,2002气体流量计量的全补偿计算法刘清林(东莞虎门电厂,广东东莞523899)摘　要:详细介绍了差压式气体流量测量的全补偿计算方法及影响气体流量计量准确性的各因素的处理方法,以供从事流量计量的人员参考。对正在进行的西气东输工程及燃用天然气或其它可燃性气体的燃气轮机机组也具有参考价值。关　键　词:差压式气体流量计量;全补偿;计算中图分类号:TK313　　　文献标识码:B　　　文章编号:02)03-0036-081　概　述　　差压式流量测量系统一直是广泛使用的流量计量仪表,它由节流装置和显示仪表组成。置结构简单,使用可靠,适用性强,,,。随,对流量,特别是天然气、蒸汽等能源性气体的流量计量,其准确度要求高,是企业能耗核算的重要依据,直接反映企业的经济效益。本文将以天然气为例,详细讨论如何实现气体流量的全补偿计算。量,m3??hPH―,,mmFFPB――选定参考基准的压力修正系数FTB――选定参考基准的温度修正系数――节流装置的流量系数,随节流装置的型式Α不同而异―节流元件上游测压口压力所对应的气体1―Ε膨胀系数FTF1――节流元件上游测压口处气体的流动温度校正系数FPV1――节流元件上游测压口处气体的超压压缩系数Fg――相对密度校正系数Zb――选定参考基准状态下的气体压缩因子2　气体流量计算公式　　在美国机械工程师协会(ASME)和国际标准化组织(ISO)的文献中,关于差压式气体流量的计算公式如下:(1)选定参考基准状态下的气体体积流量计算公式:2qSCMH=0.ΑΕ1Fad20FPBFTBFTF1FPV1ZbFg(?P?P1)1??2△P――气体流经节流元件时产生的压差kPaP1――节流元件上游测压口的绝对静压kPa上述这些参数中,只有单位换算系数d20、FPB、FTB是不变量,而其它各值是随着运行中有关参数的变化而变化的,这些变化带来的气体流量测量误差在生产现场难以进行估算。对于常规差压式流量仪表,往往只根据节流元件产生的压差的开方来计算气体体积流量,将压差当作变量,而其它各值按不变量来处理。这在运行参数完全符合设计值时是可以的,发生偏离后就会引起系统误差,偏离程度越大,这种误差也越大,我们把这种方法叫做不补偿流量(1)(2)气体的质量流量计算公式:2qKPH=0.ΑΕ1Fad20FPV1FTF1(△P?P1)1??2??Fg(2)式中:qSCMH――选定参考基准状态下气体的体积流Ξ收稿日期:第3期　　　　　　　　　　　　　　刘清林:气体流量计量的全补偿计量法　　　　　　　　　　　　　　　　　　37计量。进入80年代以来,以微机为基础的智能化仪表不断发展,流量测量仪表方面也有许多智能化产品,气体流量计量的补偿逐渐在生产中得到应用。如一些分散型微机控制系统和一些专用的流量显示仪表,其补偿法基本上是对气体密度的变化进行修正,将节流元件的流量系数和流束膨胀系数按常数处理,这种方法叫做流量计算的半补偿法。本文在半补偿的基础上提出气体流量计量的全补偿,即通过一定的计算方法,不仅对气体密度的变化进行在线修正,也对流量系数、流束膨胀系数、超压压缩因子等参数进行在线运算和修正,在现有差压式流量计量理论的基础上尽可能达到更高的气体流量计量准确度。Fa=1+2Κd(t-20)(8)公式(8)中的Fa也称作一次元件的热膨胀修正系数,如果流体温度变化很大,由Fa引起的系统误差也不能忽视。313　标准孔板的流量系数Α流量系数是针对流体速度分布(雷诺数)的影响和节流孔板入口边缘的尖锐度、同心度、测量管段内壁的粗糙度以及取压口的位置对理论流量计算公式的修正系数而通过试验测定的。对于已经标准化的节流装置,Α由经验公式计算得出。2(1-Β4)1??(9)=C??=ECΑ2(1-Β4)1??式中:E――渐近速度系数,E=1??C――流出系数,为实际流量与理论流量之比3　各有关参数的分析和处理方法311　气体体积流量选定参考基准的压力校正系数FPB和温度校正系数FTB流出系数CΒ的函数,C随着R,Re时,C的变　　　　　　　FPB=101.325??P　　　　　　　FTB=T式中:Pb―kPa,Tb―K(4)国际标准规定气体体积流量的参比值为101.325kPa和15℃(288.15K),故FPB=1.0,FTB=1.0。我国通常选择气体体积流量的参比值为101.325kPa和20℃(293.15K)。312　材料的热膨胀修正系数Fa一次元件和管道会随着流体温度的变化而膨胀或收缩。通常我们是在室温(典型值为20℃)下测量管道内径和节流件的开孔尺寸。在运行状态下这些尺寸会发生变化。为修正这种差别,采用了热膨胀修正系数。当管道材料与一次组件的材料不同且直径的测量值是在20℃下取得的,则:4(1-Β4)(5)20)??Fa=1+2(Κd-ΒΚD)(t-式中:Κ―分别是一次元件和管道的热胀系数d、ΚD―mm??mm?℃Β――工作状态下一次元件的内径dt与管道内径Dt之比。即Β=dt??Dt(6)dt=d20[1+Κd(t-20)](7)Dt=D20[1+ΚD(t-20)]当Κd和ΚD的数值很接近时,由于温度对Β值的影响可减至最小,此时:图当Re&104时,C的变化趋于平缓,Re&104,C的变化率较大。标准孔板节流装置的C与Re是一一对应关系,而不是一个具体常数。具体数值采用国际标准ISO1)或国家标准GB??T2624-93的Stolz孔板流出系数方程式计算得出。2.18C=0.2Β-0.184Β+0.0.75(106??+0.09L1Β4(1-Β4)-1-0.Re)(10)式中:L1――孔板上游端面到上游测压口的距离与管道内径之比。L2――孔板下游端面到下游测压口的距离与管道内径之比。注意:当L1≥0.039??0.09(=0.4333)时,取0.039作为Β4(1-Β4)-1的系数。对于角接取压孔板:L1=L2=0对于法兰取压孔板:L1=L2=25.4??D,在D≤58.62mm时,L1≥014333,因此对于Β4(1-Β4)-1的系数将采用0103938　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　燃气轮机技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第15卷对于D～D??2取压孔板:L1=1,L2=0.47,Β4(1-Β4)-1的系数是0.039关于天然气流量测量,美国煤气协会(AGA)在它的3号报告中给出的是白金汉(Buckingham)的法兰取压孔板系数方程。我国石油工业部标准《天然气流量的标准孔板计量方法》中SYL04―83关于法兰取压孔板的计算也给出白金汉方程。当测量天然气流量时可用白金汉方程计算出的流量系数。Α代替气体流量计算公式(1)和(2)中的流量系数Α对于法兰取压标准孔板,白金汉方程如下:(11)=ΑΑ0(1+EfΒ??Re)[0.8??Α0=D+(0.364+0.5383028D)Β4+0.4(1.6-25.4??D)(0.07+12.2.51.57??D-Β)-(0.009+0.8636??D)(0.5-Β)+22.5(41935.4??D+3)(Β-0.7)]÷[1+0.000015×的系统误差。在标准状态下气体体积流量和气体质量流量的雷诺数计算公式如下:FgFPBFTBZbDΛ　　　　Re=353.6777309DΛ　　　　Re=433.2211462(14)(15)式中:Λ――气体动力粘度,厘泊(CP)在气体流量测量中,雷诺数Re是随着气体流量和气体粘度的变化而变化的。这里说明一下气体粘度Λ对流量测量值的影响。气体的粘度随着气体温度的升高而增大,这一性质与液体相反。然而,在很高的压力下气体粘度的变化相反,此时气体的性能和液体一样。,压力在10340kPa,,,在即使流量计算中的粘度变化很大,一般也是忽略不计的。对于像天然气这样的气体混合物,粘度计算公式为:Λmix=(830-5000Β+0Β3+2671D)](23Ef=(830-5000Β+9000Β-??D)?d??25.4注意:公式(),如(Β-0.7)&0,)计算方程式中可C(Α)与Re之间的数学关系式符合图中以看出C(或Α的C～Re特性。为了使流量系数准确无误,国家标准GB??T2624--93中对Re有严格的规定范围和严格的节流装置安装技术要求,只有在各项技术指标符合国家标准的有关要求时才能使用上述方程。在现场使用中,推荐采用国家定点生产厂家生产的标准节流装置,这些厂家生产的节流组件和前后直管段等均符合国家标准要求。表1　标准孔板的使用极限条件(GB??T2624-93)角接取压法兰取压d≥12.5mm50mm≤D≤1000mmxΛiiMMii2xi(16)式中:Λ―混合气体的粘度CPmix―Λi――混合气中单元组分气的粘度CPxi――混合气中每组分的摩尔分数(体积百分比)Mi――混合气中单元组分气的分子量2取压D-D??0.2≤Β≤0.75Re≥5000,用于Re≥104,用于0.2≤Β≤0.45Re≥1260Β2D当压力高于10340kPa时,气体粘度随压力的变化而变化的值较大,故要考虑压力修正。在高压条件下,气体粘度可能比常压下的粘度增大2～5倍,由被测气体的对比温度和对比压力在有关图表中找到粘度的压力修正系数,得出高压下的气体粘度ΛP=FΛPΛa,Λa为常压下气体粘度。314　流束膨胀系数Ε1Ε1是节流件上下游取压口之间的密度变化的修正系数。对于不可压缩性流体,Ε1=1;对于可压缩性流体,Ε。上述三种取压方式以及1&1,Ε1与Re无关在上游取压口测量静压力的标准孔板节流装置,国际标准ISO1)和国家标准GB??T2624-93都规定使用白金汉公式:(P1?)(17).41+0.35Β4)△P??1=1-(0Ε　　为了取得流量系数的具体数值,要根据被测对象的已知条件推导出流量系数与雷诺数之间的数学表达式Α=f(Re),然后求出雷诺数与实际流量之间的数学表达式Re=f(q),两式联解就可以得到流量系数与流量值之间的数学表达式Α=f(q),从而实现流量系数的在线运算,消除由于Α的变化而带来第3期　　　　　　　　　　　　　　刘清林:气体流量计量的全补偿计量法　　　　　　　　　　　　　　　　　　39式中:?――被测气体的等熵指数。公式(17)的使用极限范围见表1,并且满足P2??P1=(P1-△P)??P1≥0.75,也就是△P??P1≤0.25。从(17)式看出,当被测气体的流量不变即△P不变的情况下,P1和?的变化会引起Ε。通1的变化常P1的变化对Ε。1影响较大,因此要进行压力修正关于等熵指数?,在流动条件下的压力、温度和压差的正常工作范围内,流量值对?值的变化不是特别敏感,通常按理想气体的假设是合理的。对于理想气体,等熵指数是其比热比。(CP-1.986)(18)即:?=CP??CV=CP??(19)对于混合型气体:CPmix=2XiCPi式中:CP、CV――理想气体的比热kcal??kg?mol?KCPi――混合气中单元气的定压比热。Xi――混合气中单元组分的摩尔分数。Gmix=2XMii??Mair(24)在气体流量计算通式中,G采用理想比重,所以在计算时如果已知的是实际比重,就要换算成理想比重。在相同的温度和压力下:G=(ZGas??Zair)T.P?GR(25)在实际应用中,对于单组分气体,其相对密度G是恒定的;对于天然气这样的多组分气体,其组分有时随现场工艺条件而变化,由此引起G的相应改变,这个变化难以进行在线测量。在计算天然气流量时,经常按定值处理,具体计算方法按国家标准GB11062-89或国际标准ISO-6976的规定进行。②压缩系数Zb国家标准GB11062-89,Zb,Zb是随着组分,也常按定值处理。SYL04-83中,天然气流量计算Zb取1.0。经过多次现场化验,天然气的Zb常在0.9975(20℃.101.325kPa)上下变化。对于其它气体,Zb值可查阅相应压缩系数图表。③超压压缩系数FPV1FPV1是被测气体偏离理想气体的校正系数。1??2FPV1=(1??Zf1)以甲烷为主的天然气的?值一般在1.3左右。在实际应用中,根据混合气组分的化验情况,查出单元组份气在工作温度下的定压比热,按(18)和(式计算得?值,然后代入(17)=f(△P1)的数学表达式。1Ε1,从而。1315FTF1FTF1是在节流元件上游测压口处被测气体绝对温度TK1偏离国际标准规定的参比温度288.15K(15℃)时而引入的修正系数。1??2(20)FTF1=(288.15??TK1)在实际应用中,根据被测气体温度的变化,不断进行FTF1的在线计算,消除由气体流动温度的变化而产生的流量测量误差。316　Fg、Zb、FPV1的确定与计算这些系数和被测气体的性能、组分、纯净度有关,下面分别予以讨论。1??2(21)①相对密度校正系数Fg=(1??G)G是气体的相对密度也称比重。相同温度和压力下气体的密度ΘGas和干空气的密度Θair之比,称为气体的实际比重,用GR表示。(22)Gas??air)T.PGR=(ΘΘ被测气体的分子量MGas与干空气的分子量Mair之比称为气体的理想比重,用G表示:(23)G=MGas??Mair干空气的分子量为28.963。对于气体混合物:(26)Zf1是节流元件上游测压口处被测气体在流动条件下的压缩系数,它随压力和温度的变化而变化。对于理想气体:Zf1=1。在实际气体流量计量中,不能按理想气体来处理,各种气体都有自己的压缩系数图表,也可根据实验所得到的经验公式来计算压缩系数。对于天然气,石油工业部标准SYL04―83中用的是Z-Pr-Tr表,由对比压力Pr和对比温度Tr查表得Zf值。(27)Pr=Pf??PcTr=Tf??Tc(28)式中:Pf、Tf为被测气体在流动状态下的压力和绝对温度。Pc、Tc为被测气体的临界压力和临界温度。对于混合型气体:Pc=2XiPciTc=2XiTci(29)(30)式中:Xi、Pci、Tci分别是被测气体混合物中每组分的摩尔分数和临界参数。40　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　燃气轮机技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第15卷从(29)和(30)式看出,混合型气体的临界参数Pc和Tc随组分不同而异,也就是组分的变化对压缩系数Zf有影响。在流量计算中,Zf也和Fg、Zb一样按定值处理。为了能根据实际运行中的温度和压力在线计算出天然气的超压压缩系数FPV1,可使用太平洋能源协会(PEA)于1977年提出的经验公式。FPV1=21+65.3TK13.8255+KG1??2P1的取压口一定要在孔板上游侧接往差压测量装置的正压室取压管上或相应的取压口上,不应取自远离孔板的上游或下游。318　气流流经孔板时产生的压差△P△P是气流流经孔板时在上下游取压口处的静压力差。严格的说,这个压差与通过引压管路引到差压测量装置处的压差是有一定差别的。主要是由于两引压管内的压力不同,使两引压管内气体的密度不相同,在一定的高度上产生静压力差,这个高度压差迭加在节流件处产生的压差值上。为了使差压测量装置精确地反映节流件处产生的压差,建议尽量减小差压测量装置与节流件之间的高度差或采取对压差示值的修正措施。,Pind要1-0.03416△PindZf1TK1+校正值(31)式中:PG1、TK1――节流元件上游测压口处天然气的工作表压力(kPa)和绝对温度K1、K2――对于天然气一定的比重范围,有其固定值,见表2。表2　天然气超压压缩因子计算常数K1、K2比重G的范围0.5≤G≤0.60.601≤G≤0.650.651≤G≤0.750.751≤G≤0.900.901≤G≤1.101.101≤K1K22.483.324.667.1.61.26.070.9(33):G是被测气体的比重,H是高度差(m)。Zf1、TK1分别是上游引压管内气体的压缩系数和绝对温度。如果差压测量装置在节流件上方,H取负值,如在下方,H取正值。对压差示值修正后的数值作为流量计算的压差测量值。319　影响气体流量计量的其它因素(1)混合气体组分变化的影响:目前还没有很好的处理方法。在实验室是用气相色谱仪对气体组分进行分析和计算的。严格的说,混合气的组分是随现场工况的变化而改变的。在实际应用中,经常对组分进行化学分析,计算得出G、Zb、Λmix、?mix等参数,与参与流量计算的这些参数进行对照分析,必要时可以进行修改。(2)被测气体湿度的影响:上述各参数的分析及流量计算通式是按干气来考虑的。如果被测气体中含有水蒸气或某些组分的馏出物,将严重影响计量的准确性。在通过计量表之前,必须将湿组分去除。(3)流量计安装不当对计量准确性的影响:所有流量测量装置(包括管道、前后直管段、节流元件、取压口、引压管等)应按照国家标准GB??T2624―93的技术要求安装和验收。特别是直管段,必须按国家标准要求予以保证,否则会因附加的不确定度而增大流量测量的总误差。差压测量装置尽量装在节流件上方,以免取压管内有冷凝液体且高度应尽量降低。　　(31)69～4136kPa(10～600psig)。对于含有少量CO2和少量空气的天然气,在计算出的FPV1值上再加上一个校正值。该校正值一般在0.001～0.008之间,根据CO2、空气的百分比含量和工作压力、工作温度查FPV校正值表得出。含量高,工作压力大,校正值也大。我们希望这些气体的含量越少越好。空气、CO2的含量在1?以下,天然气比重G在0.5～0.85以内,压力在950kPa(表压)以下,工作温度在0～65℃以内,校正值为零。在具体天然气流量计算中,可根据天然气比重G的范围列出FPV1=f(PG1、TK1)+校正值的函数式,可以实现FPV1值的在线计算。那么,实际工作状态下天然气的压缩系数Zf1=FPV1-2。317　孔板上游测压口的绝对静压P1P1=PG1+Pa(32)式中:PG1――节流元件上游测压口处的工作表压力kPa,Pa――当地大气压kPa为了使计量准确,当地大气压应尽量取准。我国各地的大气压力值参见国家标准GB2624―81,或以当地实测的平均大气压为准。包含各类专业文献、生活休闲娱乐、高等教育、92气体流量计量的全补偿计算法等内容。　
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