标准节流装置的设计与计算

课程设计报告

（ 2013—2014年度第一学期 )

课 程:过程参数检测及仪表 题 目：标准节流装置的设计与计算 院 系： 自动化系 班 级： 学 号: 学生姓名: Acceler 指导教师： 田 沛 设计周数: 一周

成 绩：

日 期： 2014 年 1 月 15 日

一、课程设计目的与要求

本课程设计为检测技术与仪器、自动化专业《过程参数检测及仪表》专业课的综合实践环节。通过本课程设计，使学生加深过程参数检测基本概念的理解，掌握仪表的基本设计方法和设计步骤.

二、设计正文 第一类命题：

已知条件：流体为水,工作压力p14.7MPa，工作温度t215℃；管道

D20233mm，材料为20号钢新无缝钢管；节流件为法兰取压标准孔板，材料为

1Cr18Ni9Ti；d20117.34mm；差压p156.91kPa，求（1)给定差压值p下的水流量

qm；(2）计算测量时的压力损失。

解：

（1）辅助计算：

查表得到水和水蒸气密度1=856。85kg/m，动力粘度=127.310Pa·s,管道线膨胀系数D=12。7810/℃，节流件线膨胀系数d=17.210/℃，可膨胀性系数=1.

6636DtD20[1D(t20)]233.58mm

dtd20[1d(t20)]117.73mm

A0.3540.004dt

0.5040Dtdt21pDt14

7912885.84

4(2）查表可知，新无缝钢管的绝对粗糙度K=0.05~0.1mm，(10K/D）max=4。29〈4.9，所以直管段粗糙度符合要求。 （3）迭代计算水流量qm： 由Stolz方程，得：

C0.59590.03122.10.18480.00292.51060.7543()2.2860.8564ReDDD(1)6(D:mm,D2058.62mm)令式中ReD0= ,此时流出系数初始值为C0=0.60274.取精密度判据z110，利用

Matlab进行迭代计算，程序代码如下:

A=7912885.84;yita=127。3e—6； b=0.504；Dt=233.58；

c0=0.5959+0.0312*b^2。1-0.184＊b^8+2。286＊b^4/Dt/（1-b^4）-0.856＊b^3/Dt; c=c0;z=1； % 初值预设

while z>1e—6 % 迭代计算 c1=c; Re=A＊c;

c=c0+0.0029＊b^2.5*(1e6/Re）^0。75; z=abs（(c-c1)/c); end c

qm=A*Dt*yita*c/0。354

迭代2次后，z5.410，精密度符合要求。此时C=0。602902，qm=400721。5kg/h。 对于标准孔板，其压力损失的计算式为p(123kPa。

答：给定差压值p下的水流量qm约为400721.5kg/h;测量时的压力损失约为114。23kPa.

第二类命题:

已知条件：流体为锅炉给水,最大流量qmmax230103kg/h，常用流量

81.9)p,将与p值代入,得p=114。

qmch190103kg/h，最小流量qmmin100103kg/h;工作压力p15MPa，工作温

度t215℃；管道D20199mm，材料为20号钢新无缝钢管，节流件为角接取压标准孔板,材料为1Cr18Ni9Ti;允许压力损失y40kPa，上游第一阻力件为全孔球阀，上游第二阻力件为同一平面上两个90°弯头。(1)选定差压计；（2)计算、C、、d20；(3）确定最小直管段长度l0、l1、l2；(4）计算压力损失并进行核算；（5)计算基本误差。

本题设计任务书如下： 序号 1 2 项目 被测流体名称 流量测量范围：常用 最大 最小 3 4 5 6 7

1、准备计算

根据锅炉给水工作状态下的压力p1=15MPa和温度t=215°C，查表得流体密度ρ1=857。

工作温度 工作压力 管道内径（20°C实测值） 管道材料 正常流量下允许的压力损失 qmch qmmax qmmin t p D20 符号 kg/h kg/h kg/h °C MPa mm kPa 单位 数值 锅炉给水 190000 230000 100000 215 15 199 20号钢新无缝管 40 py 17kg/m，动力粘度η=127。410

636Pa·s，管道线膨胀系数D=12。7810/℃,节流件

6线膨胀系数d=17。210/℃。可膨胀系数=1。计算Dt：

DtD20[1D(t20)]199.496mm

计算正常流量和最小流量下雷诺数:

ReDch=

4qmch41900006==2.644×10 -36Dtπ199.49610127.41036004qmmin41000006==1。39210 -36Dtπ199.49610127.4103600ReDmin=

2、选定差压计

由于采用角接取压标准孔板，最大差压的计算为：ΔPmax≤（2～2。5）py

ΔPmax=2py=2×40=80 kPa

1901032Δpch=Δpmax(qmch/ qmmax）=80×10×（）=54。594kPa 32301023流量指示仪表的流量刻度上限是有规定的，即为1，1.2，1。6，2，2.5,3,4,5,6,8×10其中n为任意整数。题中最大流量为230t/h ，流量计流量刻度上限为qmmax=250t/h.

故选用1151HP型差压变送器,其量程范围为0~186.8kPa，耐静压为31。5MPa，仪表基本误差为±0.25％。变送器差压量程调整在0～80kPa。

3。计算，C,，d20 流量公式：qmch=

nC14ε

2β Dt4221pch，其中qmch、、Dt4C214，令X=

2 21pch已知，

所以不变量A=

qmch4 得迭代方程为：A=

214=

Dt221pchA。 C精密度判据为：En=

AXC6<110。 A0.251β=12X0.25X2，dt=βDt= Dt1X2

3qmch=190×10kg／h;Dt=199.496mm；=857.17kg/m;Δpch=54.594kPa 计算A值:

3A=

qmch4=

190000/3600Dt22pch4=0。1745

(199.496103)22857.1754.594103经以上初步计算后,用Matlab进行迭代计算,程序代码如下:

A=0。1745；yita=127.3e-6；Re=2。644e6；i=2；Dt=199。496; xn（1:30）=0；b(1：30）=0;c（1:30)=0；dta(1:30)=0;en(1：30）=1； c（1)=0.5959； ％ 初值预设

while （abs（en(i-1））>1e—6）＆&（i〈4) % 开始迭代计算 xn(i）=A/c(i-1)；

b(i)=（xn(i）＊xn（i）/(1+xn(i)＊xn(i)）)^0.25；

c(i）=0。5959+0。0312*b（i）^2.1—0。184*b(i)^8+0。0029*b（i）^2。5＊（1e6/Re）^0.75;

dta（i）=A—xn（i)＊c（i); en(i）=dta(i)/A； i=i+1; end

while abs(en（i-1）)>1e-6 ％ 快速弦截法

xn（i）=xn(i-1）-dta（i—1）*(xn（i—1）-xn（i-2)）/（dta（i-1）—dta（i—2）);

b(i）=(xn（i)＊xn（i)/(1+xn(i）*xn（i)）)^0.25；

c(i）=0.5959+0.0312＊b（i)^2。1—0。184*b（i)^8+0.0029*b(i）^2。5＊(1e6/Re）^0。75；

dta（i)=A-xn（i)＊c（i）; en(i）=dta（i）/A; i=i+1； end

dt=b（i-1）*Dt;

得:β=0.5271;C=0.6032;dt=105.1605mm。 又由dtd20[1d(t20)]得,d20=104。809mm。

综上，β=0.5271;C=0。6032；=1；d20=104。809mm。

4. 确定最小直管段长度和对管道粗糙度的要求

管道布置如下图所示：

上游第一阻力件为全孔球阀，上游第二阻力件为同一平面上两个90°弯头。最小直管段L由三段长度（L1，L2，L0）组成，L1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度,由第一阻流件形式和β值决定。L0是上游第一阻流件与第二阻流件之间的直管段，由第二阻流件和β=0。7决定,按表中给出值的一半计算。L2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度,与下游节流件的形式无关，只与β值有关。

根据β约等于0.55，查表并计算可得l0、l1、l2：

l0 =1/236D20=3582mm l1 =14D20=2786mm

l2 =6D20=1194mm

标准孔板对管道相对粗糙度的限值可查表得到，管道相对粗糙度上限值为4。9×10所以要求节流件上游侧10D以内管道的绝对粗糙度Ks为 Ks<199。496×4。9×10

44，

=0.0978mm

新无缝钢管的绝对粗糙度Ks=0.05～0。1mm，符合粗糙度要求.

5. 计算压力损失并进行核算

pch=（1-1.9）Δpch=（1-0.52711.9）×54。594=38。42kPa＜40kPa

即pch＜py，压力损失验算合格。

6。计算基本误差及测量结果的不确定度

求取流量值相对不确定度的计算公式为：

1qm2c2242D2211222d2P2[()()()()()()()()]44qmCDd4P41111 因为β=0。5271，所以有

δc =0。6%；锅炉给水为不可压缩流体，则ε=1，0;DDC与

d是与量具的误差,λD、λd值误差和工作温度t值有关。在节流件工作在设计工作温度d时，主要取决于量具的误差。按置信概率95％估算，

d=±0.07％，D=±0.4%；1=dD1±0。06%;由于的选择差压变送器为0。25级，选择显示仪表为1级,则

p2800.25212=%=1.01％,综上: p354.594qm20.5271422122222[0.60()0.4()0.071.01qm410.5271410.5271410.062]%0.643%4

7。 结论

（1）差压计选用1151HP电容式差压变送器； （2）β=0.5271，C=0.6032，ε=1,d20=104.809mm; （3）最小直管段l0=3582mm,l1=2786mm，l2=1194mm； （4）压力损失pch=38。42kPa＜40kPa，压力损失验算合格; （5）不确定度

qmqm=0。643%。

三、课程设计总结

通过此次课程设计，我得以加深对过程参数检测基本概念的理解，掌握了仪表的基本设计方法和设计步骤,学会了第一类命题的解决方法和第二类命题的设计方法，知道了如何选择节流件形式和差压计以及确定量程,理解了迭代方法的原理和计算方法。本次课程设计也使我分析问题和解决问题的能力得到了提高。

四、参考文献

[1] 苏杰，常太华。 过程参数检测及仪表. 中国电力出版社,2009.6

［2] 周建兴，岂兴明,矫津毅，张延伟。 MATLAB从入门到精通. 人民邮电出版社，2012.6