影響高溫液體流量計響應(yīng)速度的常見因素及處理結(jié)果分析
點擊次數(shù)：2800 發(fā)布時間：2021-01-02 05:48:48
摘要：分析影響高溫液體流量計響應(yīng)速度的常見因素，通過實驗測試研究分析了某型號高溫液體流量計在+23℃、-30℃和-40℃三種溫度θ下，出口壓力p2分別在2.1kPa和30kPa時，流量變化分別從*1階梯突變到*5階梯時的響應(yīng)速度。
響應(yīng)速度是高溫液體流量計性能指標(biāo)之一，它對于滿足下游用戶對燃氣的需求起著重要作用。通常情況下，高溫液體流量計的響應(yīng)速度由以下幾個因素決定，溫度θ的高低，摩擦力F的大小，潤滑脂的黏度μ，以及下游管道容積V的大小等。在我國北方寒冷的冬季，室外平均溫度在零下-10℃左右，局部地區(qū)達到零下-20℃、-30℃，這對于工作在室外的高溫液體流量計是一個極大的挑戰(zhàn)。同時，天然氣在絕熱節(jié)流膨脹的傳輸過程中，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，隨著壓力降的增加，溫度會逐漸降低，這又會加劇高溫液體流量計工作的惡劣環(huán)境。
1、影響高溫液體流量計響應(yīng)速度的常見因素
影響高溫液體流量計響應(yīng)的因素主要從以下幾個方面考慮：
1.1 從設(shè)計方面，高溫液體流量計的響應(yīng)速度主要取決于以下幾個因素
（1）系統(tǒng)摩擦力的大??；
（2）設(shè)計時系統(tǒng)平衡力是趨于開啟還是趨于關(guān)閉；
（3）阻尼器阻力大??；呼吸孔氣體交換的速度；
1.2 從燃氣傳輸系統(tǒng)方面考慮，取決于下面兩個因素
（1）下游管線體積越小，越不利于系統(tǒng)響應(yīng)；
（2）氣體介質(zhì)密度越大，其流動性越差，系統(tǒng)響應(yīng)也越慢。
1.3 從使用環(huán)境來看，有以下2個因素：
（1）高溫液體流量計工作的環(huán)境溫度
（2）工作介質(zhì)的清潔程度
本文主要從高溫液體流量計使用的環(huán)境溫度方面考慮，結(jié)合客戶在使用中遇到的實際問題，對高溫液體流量計在不同的溫度條件下進行測試、分析。圖1所示為北美客戶所使用某型號高溫液體流量計典型工作環(huán)境，由于該產(chǎn)品工作在戶外，冬季夜間溫度可達到-30℃到-40℃，工作環(huán)境極其惡劣。
2、實驗室模擬測試
2.1 實驗內(nèi)容
該測試主要利用實驗室測試條件，模擬客戶現(xiàn)場使用情況。其主要測試內(nèi)容包括：測試高溫液體流量計在+23℃，-30℃和-40℃三種溫度下，高溫液體流量計出口壓力分別在2.1kPa和30kPa時，流量分別從*1階梯到*5階梯時的響應(yīng)速度，客戶所提供的流量階梯如圖2所示。橫軸表示下游球閥開啟動作時間，縱軸表示高溫液體流量計下游需要的流量q。
2.2 實驗裝置
高溫液體流量計響應(yīng)測試裝置圖見圖3。實驗裝置主要由某型號高溫液體流量計，恒溫溫控箱，DN40壓力管道，三通，球閥，壓力變送器，流量計和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，實驗介質(zhì)為清潔的壓縮空氣。
其中被測高溫液體流量計是符合GB 27790-2011《城鎮(zhèn)高溫液體流量計》規(guī)定的“靜特性測試裝置”，穩(wěn)壓精度可達AC5。
恒溫溫控箱：控溫范圍為-78℃-180℃，精度為+0.1℃。
壓力變送器：進口壓力端量程0-100Psi，出口壓力端0-250英寸水柱，精度均為±0.025%。
流量計：采用精度為±0.35%的質(zhì)量流量計。
球閥：響應(yīng)速度為150ms
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：NI Labview采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集頻率為50次/s。
2.3 實驗步驟
將某型號高溫液體流量計安裝在如圖3所示的測試管線上分別將高溫液體流量計的出口壓力p2設(shè)定在2.1kPa和30kPa，其響應(yīng)速度測試實驗步驟如下：
開啟1號球閥，同時關(guān)閉2，3，4號球閥，使系統(tǒng)流量q維持在8.5m3/h，將溫控箱溫度設(shè)定在-30℃，并維持24h，使高溫液體流量計所有零部件均達到相同溫度。
打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并將采樣頻率設(shè)定在50次/s，采集時間t為120s的數(shù)據(jù)。
打開2號球閥，使測試系統(tǒng)流量q由8.5m3/h增加到51m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
同時打開3，4號球閥，使系統(tǒng)流量q由51m3/h增加到164m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
關(guān)閉4號球閥，使系統(tǒng)流量q由164m3/h降低至119m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
同時關(guān)閉2，3號球閥，使系統(tǒng)流量q 由119m3/h降低至8.5m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
將溫控箱溫度重新設(shè)定至-40℃，和+23℃，重復(fù)步驟a）到l）。
3、實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析
3.1 實驗數(shù)據(jù)處理
通過實驗室的模擬測試，對于2.1kPa和30kPa出口設(shè)定壓力，分別得到的6條曲線，3條不同溫度下的壓力曲線和3條不同溫度下的流量曲線，如圖4和圖5所示。在*120s、240s和360s時，由于流量突然增加，造成出口壓力瞬時降低。在*480s時，由于流量突然減小，造成出口壓力瞬時升高。圖中的橫軸表示球閥的動作響應(yīng)時間，*一縱軸對應(yīng)高溫液體流量計出口壓力p2，*二縱軸表示高溫液體流量計對應(yīng)該出口壓力下流量q。
3.2 實驗結(jié)果分析
為了深入研究溫度及流量突變對高溫液體流量計響應(yīng)速度的影響趨勢，把每個流量突變點前后的出口壓力p2，流量q列表如表1所示。
從*1階梯到*2階梯，以及從*2階梯到*3階梯，下游用戶需求量突然增大，流量陡增，高溫液體流量計不能及時打開，造成出口壓力p2在流量陡增的瞬間下降，然后逐漸恢復(fù)平衡。相應(yīng)的從*3階梯到*4階梯，以及從*4階梯到*5階梯，下游用戶需求量突然減小，流量陡降，高溫液體流量計不能及時關(guān)閉，造成出口壓力p2在流量陡降的瞬間突然升高，然后逐漸恢復(fù)平衡。
為了更直觀嚴謹?shù)膶Ρ让總€階段響應(yīng)速度的不同，對原始數(shù)據(jù)進行處理，得到如下表格2和表格3。將△p2%/△q%作為響應(yīng)速度的直觀量化表達，若△p2%/△q%的值大，說明單位流量變化照成的出口壓力變化大，即說明高溫液體流量計響應(yīng)相對較慢，反之亦然。
4、結(jié)束語
在相同條件下，工作環(huán)境溫度越低，高溫液體流量計響應(yīng)速度越慢。在流量陡降瞬間，-40℃溫度條件下，高溫液體流量計的響應(yīng)速度*慢。
高溫液體流量計在流量陡降時（*3階梯到*4階梯，*4階梯到*5階梯）比流量陡增時（*1階梯到*2階梯，*2階梯到*3階梯）響應(yīng)速度慢。即高溫液體流量計在關(guān)閉時的響應(yīng)速度比打開時的響應(yīng)速度慢。
在相同工況下，高溫液體流量計出口壓力p2的設(shè)定值越低，其響應(yīng)速度相對越慢。
響應(yīng)速度是高溫液體流量計性能指標(biāo)之一，它對于滿足下游用戶對燃氣的需求起著重要作用。通常情況下，高溫液體流量計的響應(yīng)速度由以下幾個因素決定，溫度θ的高低，摩擦力F的大小，潤滑脂的黏度μ，以及下游管道容積V的大小等。在我國北方寒冷的冬季，室外平均溫度在零下-10℃左右，局部地區(qū)達到零下-20℃、-30℃，這對于工作在室外的高溫液體流量計是一個極大的挑戰(zhàn)。同時，天然氣在絕熱節(jié)流膨脹的傳輸過程中，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，隨著壓力降的增加，溫度會逐漸降低，這又會加劇高溫液體流量計工作的惡劣環(huán)境。
1、影響高溫液體流量計響應(yīng)速度的常見因素
影響高溫液體流量計響應(yīng)的因素主要從以下幾個方面考慮：
1.1 從設(shè)計方面，高溫液體流量計的響應(yīng)速度主要取決于以下幾個因素
（1）系統(tǒng)摩擦力的大??；
（2）設(shè)計時系統(tǒng)平衡力是趨于開啟還是趨于關(guān)閉；
（3）阻尼器阻力大??；呼吸孔氣體交換的速度；
1.2 從燃氣傳輸系統(tǒng)方面考慮，取決于下面兩個因素
（1）下游管線體積越小，越不利于系統(tǒng)響應(yīng)；
（2）氣體介質(zhì)密度越大，其流動性越差，系統(tǒng)響應(yīng)也越慢。
1.3 從使用環(huán)境來看，有以下2個因素：
（1）高溫液體流量計工作的環(huán)境溫度
（2）工作介質(zhì)的清潔程度
本文主要從高溫液體流量計使用的環(huán)境溫度方面考慮，結(jié)合客戶在使用中遇到的實際問題，對高溫液體流量計在不同的溫度條件下進行測試、分析。圖1所示為北美客戶所使用某型號高溫液體流量計典型工作環(huán)境，由于該產(chǎn)品工作在戶外，冬季夜間溫度可達到-30℃到-40℃，工作環(huán)境極其惡劣。
2、實驗室模擬測試
2.1 實驗內(nèi)容
該測試主要利用實驗室測試條件，模擬客戶現(xiàn)場使用情況。其主要測試內(nèi)容包括：測試高溫液體流量計在+23℃，-30℃和-40℃三種溫度下，高溫液體流量計出口壓力分別在2.1kPa和30kPa時，流量分別從*1階梯到*5階梯時的響應(yīng)速度，客戶所提供的流量階梯如圖2所示。橫軸表示下游球閥開啟動作時間，縱軸表示高溫液體流量計下游需要的流量q。
2.2 實驗裝置
高溫液體流量計響應(yīng)測試裝置圖見圖3。實驗裝置主要由某型號高溫液體流量計，恒溫溫控箱，DN40壓力管道，三通，球閥，壓力變送器，流量計和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，實驗介質(zhì)為清潔的壓縮空氣。
其中被測高溫液體流量計是符合GB 27790-2011《城鎮(zhèn)高溫液體流量計》規(guī)定的“靜特性測試裝置”，穩(wěn)壓精度可達AC5。
恒溫溫控箱：控溫范圍為-78℃-180℃，精度為+0.1℃。
壓力變送器：進口壓力端量程0-100Psi，出口壓力端0-250英寸水柱，精度均為±0.025%。
流量計：采用精度為±0.35%的質(zhì)量流量計。
球閥：響應(yīng)速度為150ms
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：NI Labview采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集頻率為50次/s。
2.3 實驗步驟
將某型號高溫液體流量計安裝在如圖3所示的測試管線上分別將高溫液體流量計的出口壓力p2設(shè)定在2.1kPa和30kPa，其響應(yīng)速度測試實驗步驟如下：
開啟1號球閥，同時關(guān)閉2，3，4號球閥，使系統(tǒng)流量q維持在8.5m3/h，將溫控箱溫度設(shè)定在-30℃，并維持24h，使高溫液體流量計所有零部件均達到相同溫度。
打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并將采樣頻率設(shè)定在50次/s，采集時間t為120s的數(shù)據(jù)。
打開2號球閥，使測試系統(tǒng)流量q由8.5m3/h增加到51m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
同時打開3，4號球閥，使系統(tǒng)流量q由51m3/h增加到164m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
關(guān)閉4號球閥，使系統(tǒng)流量q由164m3/h降低至119m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
同時關(guān)閉2，3號球閥，使系統(tǒng)流量q 由119m3/h降低至8.5m3/h。
采集120s的數(shù)據(jù)。
關(guān)閉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
將溫控箱溫度重新設(shè)定至-40℃，和+23℃，重復(fù)步驟a）到l）。
3、實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析
3.1 實驗數(shù)據(jù)處理
通過實驗室的模擬測試，對于2.1kPa和30kPa出口設(shè)定壓力，分別得到的6條曲線，3條不同溫度下的壓力曲線和3條不同溫度下的流量曲線，如圖4和圖5所示。在*120s、240s和360s時，由于流量突然增加，造成出口壓力瞬時降低。在*480s時，由于流量突然減小，造成出口壓力瞬時升高。圖中的橫軸表示球閥的動作響應(yīng)時間，*一縱軸對應(yīng)高溫液體流量計出口壓力p2，*二縱軸表示高溫液體流量計對應(yīng)該出口壓力下流量q。
3.2 實驗結(jié)果分析
為了深入研究溫度及流量突變對高溫液體流量計響應(yīng)速度的影響趨勢，把每個流量突變點前后的出口壓力p2，流量q列表如表1所示。
從*1階梯到*2階梯，以及從*2階梯到*3階梯，下游用戶需求量突然增大，流量陡增，高溫液體流量計不能及時打開，造成出口壓力p2在流量陡增的瞬間下降，然后逐漸恢復(fù)平衡。相應(yīng)的從*3階梯到*4階梯，以及從*4階梯到*5階梯，下游用戶需求量突然減小，流量陡降，高溫液體流量計不能及時關(guān)閉，造成出口壓力p2在流量陡降的瞬間突然升高，然后逐漸恢復(fù)平衡。
為了更直觀嚴謹?shù)膶Ρ让總€階段響應(yīng)速度的不同，對原始數(shù)據(jù)進行處理，得到如下表格2和表格3。將△p2%/△q%作為響應(yīng)速度的直觀量化表達，若△p2%/△q%的值大，說明單位流量變化照成的出口壓力變化大，即說明高溫液體流量計響應(yīng)相對較慢，反之亦然。
4、結(jié)束語
在相同條件下，工作環(huán)境溫度越低，高溫液體流量計響應(yīng)速度越慢。在流量陡降瞬間，-40℃溫度條件下，高溫液體流量計的響應(yīng)速度*慢。
高溫液體流量計在流量陡降時（*3階梯到*4階梯，*4階梯到*5階梯）比流量陡增時（*1階梯到*2階梯，*2階梯到*3階梯）響應(yīng)速度慢。即高溫液體流量計在關(guān)閉時的響應(yīng)速度比打開時的響應(yīng)速度慢。
在相同工況下，高溫液體流量計出口壓力p2的設(shè)定值越低，其響應(yīng)速度相對越慢。