涡街与V锥流量计在蒸汽计量中的特性研究

摘要

水蒸汽是一种重要的二次清洁能源,在能源消耗上占居较大的比例,但由于其独特、复杂的物理特性,相对于水、电、天然气等其它能源介质,一直难于计量。蒸汽的准确计量是一个困扰计量检测的世界性难题。目前对于蒸汽流量计普遍采用空气或水代替蒸汽介质进行量值溯源,虽然取得了不错的效果,但此种方式无法真实反映蒸汽流量计的真实工况,检测介质的不同可能会引起计量偏差。蒸汽流量计计量溯源手段的不完善,以及缺乏在蒸汽实流检测下的实验研究,导致了蒸汽流量计量精度低,制约了蒸汽计量管理和仪表的发展。　　为深入分析蒸汽流量仪表在蒸汽介质下的计量特性,本课题研制了一套冷凝称重法蒸汽流量计量标准装置,该装置完善了我国蒸汽流量量值溯源传递体系。在此基础上采用蒸汽实流检测的方法,结合计算流体力学及热力学,对涡街流量计和V锥流量计的计量特性进行了深入研究和实验分析,得到了不同介质下涡街流量计和V锥流量计计量特性的差异;分析了产生该差异的机理;发现以水或空气为检定介质对蒸汽流量计进行标定,将会对计量结果产生一定的误差。因此,本文提出了采用水或空气替代蒸汽测量的仪表系数修正补偿方法,并利用CFD仿真软件对涡街和V锥流量计在不同介质条件下的流场进行了仿真分析。　　主要完成如下工作:　　利用计量标准装置对涡街流量计开展了空气、水、蒸汽三种不同介质的比对测试实验研究,得到了不同介质对涡街流量计的计量性能的影响差异,基于流体力学及卡门涡街的基本原理,建立了涡街流量计在蒸汽介质条件下的计量模型,并提出了不同介质条件下仪表系数的修正方法,从而为实验研究构建了理论依据。利用CFD仿真软件对涡街流量计在不同的介质下进行了仿真分析验证。　　鉴于V锥流量计缺乏蒸汽介质条件下的实验和理论分析,本文在水、负压空气、正压空气、蒸汽装置上分别对不同口径、不同β值的实验样机,在不同工况条件下开展了可膨胀系数实验研究,得到了V锥流量计在空气和蒸汽介质中可膨胀系数的经验公式数学模型。利用CFD仿真软件对V锥流量计的可膨胀系数进行了仿真分析研究,从仿真流场解释分析了不同介质的差异的机理,验证了实验结论。实现了对V锥流量计空气和蒸汽介质中的可膨胀系数仿真预估。　　研制了冷凝称重法蒸汽流量计量标准装置,对稳压容器、冷凝器进行分析计算,并采用CFD仿真软件进行了优化设计,对装置的技术指标进行了实验验证和分析。

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第一章 绪 论

1.1 蒸汽流量计量的意义和现状

1.2水蒸汽的特性及研究现状

1.3蒸汽流量仪表的国内外研究现状

1.4蒸汽流量标准装置及其研究现状

1.5课题主要研究内容

第二章 蒸汽对涡街流量计计量特性影响计算分析

2.1研究的意义

2.2蒸汽介质的影响因素

2.3蒸汽介质各影响因素分析与计算

2.4蒸汽介质影响因素公式的建立

2.5蒸汽介质物理特性影响分析

2.6本章小结

第三章 涡街流量计在蒸汽测量中实验分析

3.1研究的意义

3.2不同介质实验装置

3.3蒸汽与其它介质下实验测试分析

3.4本章小结

第四章 涡街流量计不同流体介质的仿真分析

4.1研究的意义

4.2模型的建立

4.3仿真条件的设定

4.4仿真流场分析与计算

4.5本章小结

第五章 V锥流量计在蒸汽测量中可膨胀系数的实验研究

5.1研究的意义

5.2可膨胀系数数学模型的研究与建立

5.3 V锥流量计可膨胀系数实验测试方案

5.4实验数据及公式拟合

5.5本章小结

第六章 V锥流量计不同流体介质的仿真分析

6.1研究的意义

6.2仿真流程、网格剖分、湍流模型

6.3仿真与实验数据比对分析

6.4基于流场的V锥可膨胀系数分析

6.5本章小结

第七章 蒸汽流量标准装置的优化及性能测试

7.1研究的意义

7.2稳压罐的仿真优化设计

7.3冷凝器计算分析

7.4装置稳定性与性能试验

7.5本章小结

第八章 总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢