华恒仪表

　　引言
　　差压式流量计是一种常用流量计，其测量原理是基于流动连续稳定假定和能量守恒定律，通过测量前后段压力差，计算介质流量的方法。在工程领域，由于其具有安装简单、测量范围广和使用寿命长的特点，适用于空气、天然气等流体介质的计量，广泛应用于化工、天然气等行业。然而，在大范围管道流体输运过程中，尤其大型管路，差压式流量计的压力损失必将引入额外的能耗，其能效性能带来的长期影响不可忽略，对其进行能效测试具有重要的经济价值和工程意义。
　　差压式流量计是研究较早的一种流量计，不少机构如ＡＧＡ（美国煤气协会）、ＡＳＭＥ（美国机械工程师协会）和ＮＢＳ（美国国家标准局）在２0世纪初就开始了相关实验和技术研究，在此基础上，ＩＳＯ（国际标准化组织）于１９６7年和１９６８年颁布了ＩＳＯ／Ｒ54１和ＩＳＯ／Ｒ7８１两个标准，分别规定了孔板流量计和喷嘴，以及文丘里管。我国相应推出了ＧＢ２６２4系列，其中ＧＢ２６２4.２针对孔板流量计，ＧＢ２６２4.4针对文丘里管，这些标准主要是对流量计的结构形式、取压方式、安装等提出了要求，虽然列出了差压公式，却缺少流量计能效的相关要求。建立差压流量计的能效测试模型，测试其能效性能，既能反映出流量计的阻力特性，又能为流量计结构、安装提供技术支持，同时为管路系统设计、几何尺寸、流体压力、流量等参数设计提供支撑。本研究以伯努利方程为基础，建立流量计能效测试模型，研究在气体流量计量中，文丘里流量计的能效测试方法，并与孔板流量计结果进行了对比，取得了较好结果。
　　１测试模型
　　如图１所示，建立管路系统，按照流量计安装位置划分，可以将管道分为输入段、被测前段、被测段和尾段。测量原理为：假定其它条件相同，分别测量被测段接入文丘里管流量计、孔板流量计和空管时的总能量，用接入流量计与空管状态下的总能量之差，就可以得到流量计带来的能耗。
　　单次测量过程中，管道内的流体流动遵守能量守恒和质量守恒。按照伯努利方程，对于管路任意截面Ⅰ、Ⅱ，有：
　　式中：g为重力加速度，ｍ／ｓ２；为流体密度，ｋｇ／ｍ3；pⅠ、pⅡ分别为截面Ⅰ、Ⅱ的压力，Ｐａ；zⅠ、zⅡ分别为截面Ⅰ、Ⅱ的高度，ｍ；vⅠ、vⅡ分别为截面Ⅰ、Ⅱ的流速，ｍ／ｓ；ａⅠ、ａⅡ分别为截面Ⅰ、Ⅱ的流速平均系数。
　　该式表明，沿管路方向，忽略热量耗散和位置势能变化，任意截面的动能和势能之和保持不变。故流量计产生的能耗可表示为：
　　式中：W为能耗，ｋＷｈ；V为体积流量，ｍ3；C为与密度相关的常数；p为压损，Ｐａ；（av２／２）为动能损失，ｋＷｈ。
　　上式表明，不同测量条件下（安装流量计与空管状态下），被测流量计带来的能耗与管道内动能和压力能变化相关。对于圆管内流，相同流量下，可以忽略流速变化带来的动能变化，而能耗仅与压力能变化相关，即体积流量和压损相关，故可以定义反映被测流量计能耗特征的量为：
　　式中：η为流量计能效，ｋＷｈ／（ｍ3／ｈ）。
　　式（3）表明，η越大，流量计带来的能耗越大。故被测流量计的能效等于流量计的能耗与输入能量的比值，这与能效的定义相吻合。
　　另外，从能量守恒的角度看：
　　W输入＝W管前段+W被测段+W尾端（4）
　　因此，有：
　　W被测段＝W输入-W管前段-W尾端（5）
　　取微分有：
　　W被测段＝W输入-（W管前段+W尾端）（６）结合式（２），上式中输入段的能量变化可用电能确定，管前段和尾端的能量变化可由压力和流量进行控制。
　　２测试方法和结果
　　由以上分析可知，流量计带入的损耗可以由输入段的能量变化减去管前段和尾端的能量变化。按照图１接入管路，在其它安装条件不变的情况下，管道前段和尾端的能量变化可以由流量和末端压力进行控制。
　　本研究以ＤＮ６00管径系统的满管流量状态为研究对象，分别测试空管、孔板流量计和文丘里管三种状态。测试的参数包括：压力（差压）、温度、气体流量和电功率。选择的测试仪器包括：0.１级差压变送器提供压力和压差；１级标准表提供流量参数；0~50℃温度计zui大允许误差0.２％；0.5级数字功率计提供电功率。为达到预期测试条件和效果，本次测试环境控制：电源条件（电压为２２0Ｖ，频率为50Ｈｚ，电压稳定度为5ｍｉｎ内１％）；环境温度变化２℃。测试结果如表１所示。
　　从测试结果看，本次测试所采用的文丘里管流量计的能耗较孔板流量计的能耗小很多，并且在大流量下更为明显，其测试结果合理。
　　3影响不确定度的主要因素
　　根据式（２）、（3），影响测量不确定度的主要因素包括：１）测量重复性引起的Ａ类不确定度；２）电功率计测量电功率引入的测量不确定度；3）标准表测量流量引入的测量不确定度；4）差压传感器测量压力和压差引入的测量不确定度；5）管道几何尺寸测量和管道粗糙度等引入的不确定度。
　　4小结
　　本研究以差压式流量计的能效特性为研究对象，基于伯努利方程，建立了管道内差压流量计能效测试模型，以孔板流量计和文丘里管流量计能效测试为例，分别测试了在空管状态、接入孔板流量计、接入文丘里管流量计的三种安装条件下，不同流量时的能效水平。研究表明测试所采用的文丘里管流量计的能耗较孔板流量计的能耗小很多，并且在大流量下更为明显。对测试结果分析表明，本研究建立的测试模型是可靠的，测试结果也是合理的，测试方法可以应用于类似流量计的能效测试。