影響高溫液體流量計響應速度的常見因素及處理結果分析
點擊次數：1941 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階梯時的響應速度。
響應速度是高溫液體流量計性能指標之一，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*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，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速度的常見因素
影響高溫液體流量計響應的因素主要從以下幾個方面考慮：
1.1 從設計方面，高溫液體流量計的響應速度主要取決于以下幾個因素
（1）系統(tǒng)摩擦力的大??；
（2）設計時系統(tǒng)平衡力是趨于開啟還是趨于關閉；
（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；
（2）氣體介質密度越大，其流動性越差，系統(tǒng)響應也越慢。
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，由于該產品工作在戶外，冬季夜間溫度可達到-30℃到-40℃，工作環(huán)境*其惡劣。
2、實驗室模擬測試
2.1 實驗內容
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，流量計和數據采集系統(tǒng)等組成，實驗介質為清潔的壓縮空氣。
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%的質量流量計。
球閥：響應速度為150ms
數據采集系統(tǒng)：NI Labview采集系統(tǒng)，數據采集頻率為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設定在2.1kPa和30kPa，其響應速度測試實驗步驟如下：
開啟1號球閥，同時關閉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。
打開數據采集系統(tǒng)，并將采樣頻率設定在50次/s，采集時間t為120s的數據。
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的數據。
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的數據。
關閉4號球閥，使系統(tǒng)流量q由164m3/h降低至119m3/h。
采集120s的數據。
同時關閉2，3號球閥，使系統(tǒng)流量q 由119m3/h降低至8.5m3/h。
采集120s的數據。
關閉數據采集系統(tǒng)。
將溫控箱溫度重新設定至-40℃，和+23℃，重復步驟a）到l）。
3、實驗數據處理及結果分析
3.1 實驗數據處理
通過實驗室的模擬測試，對于2.1kPa和30kPa出口設定壓力，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時間，*一縱軸對應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該出口壓力下流量q。
3.2 實驗結果分析
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，然后逐漸恢復平衡。相應的從*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，然后逐漸恢復平衡。
為了更直觀嚴謹的對比每個階段響應速度的不同，對原始數據進行處理，得到如下表格2和表格3。將△p2%/△q%作為響應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相對較慢，反之亦然。
4、結束語
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）響應速度慢。即高溫液體流量計在關閉時的響應速度比打開時的響應速度慢。
在相同工況下，高溫液體流量計出口壓力p2的設定值越低，其響應速度相對越慢。
響應速度是高溫液體流量計性能指標之一，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*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，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速度的常見因素
影響高溫液體流量計響應的因素主要從以下幾個方面考慮：
1.1 從設計方面，高溫液體流量計的響應速度主要取決于以下幾個因素
（1）系統(tǒng)摩擦力的大??；
（2）設計時系統(tǒng)平衡力是趨于開啟還是趨于關閉；
（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；
（2）氣體介質密度越大，其流動性越差，系統(tǒng)響應也越慢。
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，由于該產品工作在戶外，冬季夜間溫度可達到-30℃到-40℃，工作環(huán)境*其惡劣。
2、實驗室模擬測試
2.1 實驗內容
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，流量計和數據采集系統(tǒng)等組成，實驗介質為清潔的壓縮空氣。
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%的質量流量計。
球閥：響應速度為150ms
數據采集系統(tǒng)：NI Labview采集系統(tǒng)，數據采集頻率為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設定在2.1kPa和30kPa，其響應速度測試實驗步驟如下：
開啟1號球閥，同時關閉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。
打開數據采集系統(tǒng)，并將采樣頻率設定在50次/s，采集時間t為120s的數據。
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的數據。
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的數據。
關閉4號球閥，使系統(tǒng)流量q由164m3/h降低至119m3/h。
采集120s的數據。
同時關閉2，3號球閥，使系統(tǒng)流量q 由119m3/h降低至8.5m3/h。
采集120s的數據。
關閉數據采集系統(tǒng)。
將溫控箱溫度重新設定至-40℃，和+23℃，重復步驟a）到l）。
3、實驗數據處理及結果分析
3.1 實驗數據處理
通過實驗室的模擬測試，對于2.1kPa和30kPa出口設定壓力，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時間，*一縱軸對應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該出口壓力下流量q。
3.2 實驗結果分析
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，然后逐漸恢復平衡。相應的從*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，然后逐漸恢復平衡。
為了更直觀嚴謹的對比每個階段響應速度的不同，對原始數據進行處理，得到如下表格2和表格3。將△p2%/△q%作為響應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相對較慢，反之亦然。
4、結束語
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）響應速度慢。即高溫液體流量計在關閉時的響應速度比打開時的響應速度慢。
在相同工況下，高溫液體流量計出口壓力p2的設定值越低，其響應速度相對越慢。