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影響高溫液體流量計(jì)響應(yīng)速度的常見因素及處理結(jié)果分析
點(diǎn)擊次數(shù)：2468 發(fā)布時(shí)間：2021-01-02 05:48:48
摘要：分析影響高溫液體流量計(jì)響應(yīng)速度的常見因素，通過實(shí)驗(yàn)測試研究分析了某型號高溫液體流量計(jì)在+23℃、-30℃和-40℃三種溫度θ下，出口壓力p2分別在2.1kPa和30kPa時(shí)，流量變化分別從*1階梯突變到*5階梯時(shí)的響應(yīng)速度。
響應(yīng)速度是高溫液體流量計(jì)性能指標(biāo)之一，它對于滿足下游用戶對燃?xì)獾男枨笃鹬匾饔?。通常情況下，高溫液體流量計(jì)的響應(yīng)速度由以下幾個(gè)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(dá)到零下-20℃、-30℃，這對于工作在室外的高溫液體流量計(jì)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，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(jì)工作的惡劣環(huán)境。
1、影響高溫液體流量計(jì)響應(yīng)速度的常見因素
影響高溫液體流量計(jì)響應(yīng)的因素主要從以下幾個(gè)方面考慮：
1.1 從設(shè)計(jì)方面，高溫液體流量計(jì)的響應(yīng)速度主要取決于以下幾個(gè)因素
（1）系統(tǒng)摩擦力的大小；
（2）設(shè)計(jì)時(shí)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?xì)鈧鬏斚到y(tǒng)方面考慮，取決于下面兩個(gè)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(gè)因素：
（1）高溫液體流量計(jì)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(jì)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(shí)際問題，對高溫液體流量計(jì)在不同的溫度條件下進(jìn)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(jì)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(dá)到-30℃到-40℃，工作環(huán)境極其惡劣。
2、實(shí)驗(yàn)室模擬測試
2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
該測試主要利用實(shí)驗(yàn)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(jì)在+23℃，-30℃和-40℃三種溫度下，高溫液體流量計(jì)出口壓力分別在2.1kPa和30kPa時(shí)，流量分別從*1階梯到*5階梯時(shí)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(shí)間，縱軸表示高溫液體流量計(jì)下游需要的流量q。
2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
高溫液體流量計(jì)響應(yīng)測試裝置圖見圖3。實(shí)驗(yàn)裝置主要由某型號高溫液體流量計(jì)，恒溫溫控箱，DN40壓力管道，三通，球閥，壓力變送器，流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為清潔的壓縮空氣。
其中被測高溫液體流量計(jì)是符合GB 27790-2011《城鎮(zhèn)高溫液體流量計(jì)》規(guī)定的“靜特性測試裝置”，穩(wěn)壓精度可達(dá)AC5。
恒溫溫控箱：控溫范圍為-78℃-180℃，精度為+0.1℃。
壓力變送器：進(jìn)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(jì)：采用精度為±0.35%的質(zhì)量流量計(jì)。
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(shí)驗(yàn)步驟
將某型號高溫液體流量計(jì)安裝在如圖3所示的測試管線上分別將高溫液體流量計(jì)的出口壓力p2設(shè)定在2.1kPa和30kPa，其響應(yīng)速度測試實(shí)驗(yàn)步驟如下：
開啟1號球閥，同時(shí)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(jì)所有零部件均達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析
3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
通過實(shí)驗(yàn)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(shí)，由于流量突然增加，造成出口壓力瞬時(shí)降低。在*480s時(shí)，由于流量突然減小，造成出口壓力瞬時(shí)升高。圖中的橫軸表示球閥的動作響應(yīng)時(shí)間，*一縱軸對應(yīng)高溫液體流量計(jì)出口壓力p2，*二縱軸表示高溫液體流量計(jì)對應(yīng)該出口壓力下流量q。
3.2 實(shí)驗(yàn)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(jì)響應(yīng)速度的影響趨勢，把每個(gè)流量突變點(diǎn)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(jì)不能及時(shí)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(jì)不能及時(shí)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(yán)謹(jǐn)?shù)膶Ρ让總€(gè)階段響應(yīng)速度的不同，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)，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(jì)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(jì)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(jì)的響應(yīng)速度*慢。
高溫液體流量計(jì)在流量陡降時(shí)（*3階梯到*4階梯，*4階梯到*5階梯）比流量陡增時(shí)（*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(jì)在關(guān)閉時(shí)的響應(yīng)速度比打開時(shí)的響應(yīng)速度慢。
在相同工況下，高溫液體流量計(jì)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(jì)性能指標(biāo)之一，它對于滿足下游用戶對燃?xì)獾男枨笃鹬匾饔?。通常情況下，高溫液體流量計(jì)的響應(yīng)速度由以下幾個(gè)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(dá)到零下-20℃、-30℃，這對于工作在室外的高溫液體流量計(jì)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，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(jì)工作的惡劣環(huán)境。
1、影響高溫液體流量計(jì)響應(yīng)速度的常見因素
影響高溫液體流量計(jì)響應(yīng)的因素主要從以下幾個(gè)方面考慮：
1.1 從設(shè)計(jì)方面，高溫液體流量計(jì)的響應(yīng)速度主要取決于以下幾個(gè)因素
（1）系統(tǒng)摩擦力的大小；
（2）設(shè)計(jì)時(shí)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?xì)鈧鬏斚到y(tǒng)方面考慮，取決于下面兩個(gè)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(gè)因素：
（1）高溫液體流量計(jì)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(jì)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(shí)際問題，對高溫液體流量計(jì)在不同的溫度條件下進(jìn)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(jì)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(dá)到-30℃到-40℃，工作環(huán)境極其惡劣。
2、實(shí)驗(yàn)室模擬測試
2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
該測試主要利用實(shí)驗(yàn)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(jì)在+23℃，-30℃和-40℃三種溫度下，高溫液體流量計(jì)出口壓力分別在2.1kPa和30kPa時(shí)，流量分別從*1階梯到*5階梯時(shí)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(shí)間，縱軸表示高溫液體流量計(jì)下游需要的流量q。
2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
高溫液體流量計(jì)響應(yīng)測試裝置圖見圖3。實(shí)驗(yàn)裝置主要由某型號高溫液體流量計(jì)，恒溫溫控箱，DN40壓力管道，三通，球閥，壓力變送器，流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為清潔的壓縮空氣。
其中被測高溫液體流量計(jì)是符合GB 27790-2011《城鎮(zhèn)高溫液體流量計(jì)》規(guī)定的“靜特性測試裝置”，穩(wěn)壓精度可達(dá)AC5。
恒溫溫控箱：控溫范圍為-78℃-180℃，精度為+0.1℃。
壓力變送器：進(jìn)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(jì)：采用精度為±0.35%的質(zhì)量流量計(jì)。
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(shí)驗(yàn)步驟
將某型號高溫液體流量計(jì)安裝在如圖3所示的測試管線上分別將高溫液體流量計(jì)的出口壓力p2設(shè)定在2.1kPa和30kPa，其響應(yīng)速度測試實(shí)驗(yàn)步驟如下：
開啟1號球閥，同時(shí)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(jì)所有零部件均達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析
3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
通過實(shí)驗(yàn)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(shí)，由于流量突然增加，造成出口壓力瞬時(shí)降低。在*480s時(shí)，由于流量突然減小，造成出口壓力瞬時(shí)升高。圖中的橫軸表示球閥的動作響應(yīng)時(shí)間，*一縱軸對應(yīng)高溫液體流量計(jì)出口壓力p2，*二縱軸表示高溫液體流量計(jì)對應(yīng)該出口壓力下流量q。
3.2 實(shí)驗(yàn)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(jì)響應(yīng)速度的影響趨勢，把每個(gè)流量突變點(diǎn)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(jì)不能及時(shí)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(jì)不能及時(shí)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(yán)謹(jǐn)?shù)膶Ρ让總€(gè)階段響應(yīng)速度的不同，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)，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(jì)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(jì)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(jì)的響應(yīng)速度*慢。
高溫液體流量計(jì)在流量陡降時(shí)（*3階梯到*4階梯，*4階梯到*5階梯）比流量陡增時(shí)（*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(jì)在關(guān)閉時(shí)的響應(yīng)速度比打開時(shí)的響應(yīng)速度慢。
在相同工況下，高溫液體流量計(jì)出口壓力p2的設(shè)定值越低，其響應(yīng)速度相對越慢。