利用Excel实现标准节流装置的设计

张惜岭

中国石化工程建设公司     北京    100101

摘要：通常的节流装置设计选型主要依靠制造厂计算，由于手动计算复杂繁琐，设计人员需要借助一些专业设计软件对其进行准确性判断，但受各种因素所限，实现并不方便。为此，提出一种利用Excel软件“单变量求解”功能进行标准节流装置设计的方法，实例证明该方法计算准确，方便灵活，提高了设计效率。

关键词：标准节流装置 设计 单变量求解

Design of standard throttle devices using Excel

Zhang Xiling

SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing 100101

Abstract：The design of throttle devices is usually depended on manufacturers. Designers have to use some professional design software to verify the accuracy of the results because manual calculation is very complex and time-consuming. However，the realization isn’t convenient due to the restriction of various factors. A method of standard throttle devices design using single variable solution in Excel is presented. The example has proved that this method is accurate and flexible，and furthermore，it can improve design efficiency.

Keywords： standard throttle devices； design； single variable solution在石油、化工、冶金、电力等生产过程中，大量使用流量检测和物料计量的流量仪表，以保证产品质量和生产安全。以节流装置为检测元件的差压式流量计是其中应用范围最广、用量最大的一类流量仪表，具有结构简单、安装使用维护方便、可靠性高、成本低廉等优点，是工程设计中优先考虑选用的流量计。已开发的节流装置结构形式众多，但大部分未经充分试验，为适应广泛的使用需要，ISO5167标准对经过深入研究的标准节流装置（标准孔板、标准喷嘴和经典文丘里管）进行了统一规定，并给出流出系数和可膨胀系数的具体计算公式。ISO5167标准给出的统一计算式为使用计算机设计计算标准节流装置提供了有利条件，利用Turbo C、Visual Basic[2]、Matlab[3]、Delphi[4]等各种不同软件开发的标准节流装置计算程序纷纷涌现。虽然这些程序避免了手动计算的繁琐，但往往存在软件开发环境、历史数据保存、计算结果打印等方面的限制。针对这些问题，按照目前最新版标准节流装置计算标准GB/T 2624—2006/ISO5167：2003（下文简称GB/T 2624）的规定，根据文献[5]的要求，利用Excel软件的计算功能实现标准节流装置的设计计算，功能齐全，简单方便，有效提高了标准节流装置的设计效率。[1]流动流体的特性以及装置的使用环境，并假设该装置与经过校准的一个装置几何相似且使用条件相同就可以确定流量。质量流量qm与差压的关系符合GB/T 2624规定的不确定度限值，则：                             （1）体积流量                                     （2）其中，qm是质量流量，kg/s；C是流出系数，无量纲；β是一次装置节流孔（或喉部）的直径与上游测量管道的内径比，无量纲；ε是可膨胀系数，无量纲；d是节流孔（或喉部）的直径，m；Δp是上下游两侧差压，Pa；ρ是测定体积流量时的温度压力下的流体密度，kg/m3。2 标准节流装置的设计计算方法

标准节流装置的设计计算就是已知qm、C、ε、Δp和ρ求解直径比β的过程。然而在求得β之前C和ε是未知的，因此标准GB/T 2624所给出的不同类型标准节流装置的参数计算公式是确定参数的依据。1 节流装置测量原理

测量原理是以一次装置（如孔板、喷嘴、文丘里管）安装在充满流体的管线中为依据确立的。装置上游侧与喉部或下游侧之间产生一个静压差。根据该差压的实测值和2.1 适用范围

标准GB/T 2624规定标准节流装置必须在表1所列条件下使用。表1 标准节流装置适用范围

节流装置名称标准孔板ISA1932喷嘴长径喷嘴文丘里喷嘴文丘里管

“铸造”机械加工粗焊铁板

d≥50 mm

取压方式/型式节流孔直径d上游管道内径D角接取压径距取压50mm≤D≤1000mmd≥12.5mm法兰取压

50mm≤D≤500mm50mm≤D≤630mm65mm≤D≤500mm100mm≤D≤800mm50mm≤D≤250mm200mm≤D≤1200mm

直径比β0.1≤β≤0.750.3≤β≤0.80.2≤β≤0.80.316≤β≤0.7750.3≤β≤0.750.4≤β≤0.750.4≤β≤0.7

雷诺数ReD

0.1≤β≤0.56，ReD>5000；β>0.56，ReD>16000β2ReD≥5000且ReD≥170βD

0.30≤β≤0.44，7×104≤ReD≤107

0.44≤β≤0.80，2×104≤ReD≤107

104≤ReD≤107；Ra/D≤3.2×10-4（在上游管道中）1.5×105≤ReD≤2×1062×105≤ReD≤2×1062×105≤ReD≤1×1062×105≤ReD≤2×106

2

286

2017年第8期其中，ReD是管道雷诺数，表示上游管道惯性力与粘性力之比的无量纲参数：                                                                           （3） 其中，μ是流体的动力粘度，Pa·s。另外，标准对管道内部的粗糙度也有规定，参见标准GB/T 2624的详细内容。2.2 流出系数C的确定

流出系数C用来表示通过装置的实际流量与理论流量之间的关系。不同的装置结构、不同的取压方式具有不同的计算公式，例如：节流装置为标准孔板时（4）其中，β=d/D是直径比，d和D单位为m；其中，对于角接取压：L1=L2=0；对于径距取压：L1= 1，L2=0.47；对于法兰取压：。其他类型标准节流装置流出系数的计算公式，标准GB/T 2624均已给出，不再赘述。可以看到，流出系数C可由参数β、ReD、A、L1、M、D计算（经典文丘里管的C为常数）。当工艺数据D、qm、μ已知，则ReD已知，于是C成为只关于β的函数：     =                （5）2.3 可膨胀系数ε的确定

可膨胀系数ε是考虑到流体的可压缩性所使用的系数。当流体不可压缩（液体）时，ε=1；当流体可压缩（气体和蒸汽）时，ε<1，具体计算公式如下。2.3.1 节流装置为标准孔板

         （6）适用范围为p2/p1≥0.75，其中p1、p2分别为上、下游取压口绝对静压，Pa。2.3.2 节流装置为标准喷嘴、文丘里喷嘴和经典文丘里管

                    （7）适用范围为压力比τ=p2/p1≥0.75，其中κ是等熵指数，表示在基本可逆绝热（等熵）转换条件下，压力的相对变化与密度的相对变化之比，κ可用理想气体的定压比热容与定容比热容之比代替。可以看到，可压缩流体的可膨胀系数ε由参数β、τ、κ计算。当工艺数据κ、p1已知，若给定Δp则τ已知，于是ε成为只关于β的函数：               =           （8）2.4 直径比β的计算

将直径比β=d/D代入节流装置的测量原理式（1），有                                   （9）科学管理令                                  （10）当工艺数据D、qm、μ、κ、p1、ρ已知，Δp给定，则α是常数，流出系数C和可膨胀系数ε均是只关于直径比β的函数或者常数，于是得到一个关于β的一元高次方程：           （11）                       2.5 最大压力损失Δwmax的计算

计算得到β、C等参数的结果后，需要计算最大压力损失Δwmax，要求其不得超出工艺提出的允许值。对于标准孔板和标准喷嘴，计算公式为：                           （12）对于文丘里喷嘴和经典文丘里管，压力损失一般较小，需要按照标准进行实际测量，并未给出具体计算公式，因此忽略这两类节流装置最大压力损失的计算。2.6 标准节流装置设计计算程序框图

经过前面的计算与分析，绘制出标准节流装置设计的计算程序框图如图1所示。䕧ܹqm,D,p1,N,U,P䗝ᢽ'p䅵ㅫReD,p2/p1߸ᮁReD,p2/p1ᰃ৺⒵䎇㽕∖˛䗝ᢽҟ䋼⢊ᗕǃݙᕘ㣗ೈ੠পय़ᮍᓣˈ䅵ㅫE,d,'wmax߸ᮁE,d,'wmaxᰃ৺⒵䎇㽕∖˛䅵ㅫC,Hㄝ݊Ҫখ᭄图1 标准节流装置设计计算程序框图

3 Excel计算功能的应用

Excel是目前应用最广泛的功能强大的电子表格处理软件。设计人员通常只是利用其表格功能进行数据统计、排序和筛选、简单的公式函数以及四则运算等，却很少进行数据分析、复杂计算甚至功能开发。实际上Excel为用户提供了许多数据库函数，可实现单变量求解、线性规划、回归分析等数学问题的求解，避免了繁琐的手工计算和复杂的专业软件编程，操作方便。仪表自控工程设计中常见的数学计算是标准节流装置和调节阀的计算。标准节流装置的计算公式涉及多项高次和非整数次方程，标准GB/T 2624给出了传统的迭代法，采用人工手算准确度低，计算机编程虽然计算快捷但开发有一定难度，大部分普通工程设计人员不会编写、修改和维护这些专业软件，普及程度有限。而Excel是通用的计算机软 287

科学管理件，利用其“单变量求解”功能，无需编程即可简捷地求解高次方程[6]，再结合设计人员的经验和判断，可以快速、准确地获得设计结果，大大提高设计效率。利用Excel进行标准节流装置计算的操作界面如图2所示，主要功能为：（1）节流装置计算。选取对应节流装置类型的工作表，输入工艺条件数据，根据介质状态、管线尺寸及取压䗝ᢽ'p方式等进行选择计算，获得β、d、C、ε、ReD、Δwmax䕧ܹqm,D,p1,,,2017年第8期操作密度6.208kg/m3；绝热指数1.23；压缩系数0.947；粘度0.01mPa·s；管道内径108.2mm；管道材质304不锈钢。采用标准孔板作为节流元件，法兰取压，利用Excel单变量求解功能进行计算，结果为：β=0.384、d=1.64in、满刻度差压选择16kPa、 Δwmax=13.3710675kPa、 C=0.60030316、ε=0.980481、䅵ㅫRe,p/p等参数的结果。D21（2）计算结果直观。获得计算结果后，设计人员可根߸ᮁRe,p/pD21ReD=330142.73（正常流量时）。采用InstruCalc Plus 5.0软件进行验算可得：β=0.382、d=1.63in、满刻度差压选择16kPa、ReD=329856（正常流量时）、Δwmax=13.17kPa。由此可见，利用Excel单变量求解功能进行标准节流装置的计算准确可靠，完全能够实现预期的工程设计目标。ᰃ৺⒵䎇㽕∖˛据设计准则和工艺要求，结合设计经验对各参数有效性进行分析判断，如果结果不合适，重新设置参数再次计算。䗝ᢽҟ䋼⢊ᗕǃݙᕘ㣗ೈ（3）操作方便灵活。由于在工作表中操作，设计人߸ᮁ,d,'w员可以任意修改输入数据，随时保存和打印计算输出数max੠পय़ᮍᓣˈ䅵ㅫE,d,'wmax5 结束语

利用Excel软件的“单变量求解”功能进行标准节流装置的工程设计，计算准确，操作方便，显著提高了标准节流装置的设计效率。而且基于Excel软件的实用性和开放性，设计人员可根据实际需要对设计计算功能进行修改和扩展，具有可持续升级改进的优点。据，同时允许在工作表中任意添加位号、介质名称、备注䅵ㅫC,Hㄝ݊Ҫখ᭄等扩展信息。ᰃ৺⒵䎇㽕∖˛参考文献

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自动化仪表,2001,22(3):19-20；23.

[2]刘炜，刘宏昭. 用VB 实现节流装置孔径的计算[J].电脑编程技巧与维护，2011 （22）：37-38.

[3]宋哲英，颜翠英，刘朝英，等.流量测量标准孔板计算软件开发[J].河北科技大学学报，2001，22（4）：39-42.

[4]陈秀丽，王兆新，林振强，等.利用Delphi7.0实现节流装置的设计计算[J].计量技术，2007（10）：40-43.

[5]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册 [M]. 第三版.北京：化学工业出版社，2000：998-1008.

[6]卞全.用EXCEL的计算功能求解工程设计中的数学问题[J].西北水电，2009（1）：73-75.

图2 标准节流装置计算界面

4 应用实例

以某石化公司乙二醇项目标准孔板的设计为例，验证利用Excel“单变量求解”功能进行设计计算的正确性和实用性。已知工艺条件如下：被测介质为气相环氧乙烷；最大流量1300kg/h，正常流量1010 kg/h，操作压力0.261MPa(G)；操作温度46.6℃；（上接第291页）

法兰局部过热的原因，局部过热导致热应力相对集中，并产生一定热膨胀致使部分法兰连接螺栓预紧力下降，进而引发法兰发生泄漏。           针对制氢转化炉冷壁集合管法兰局部过热导致高温转化气泄漏提出以下改进方法：（1）改进冷壁集合管内部衬套连接方式，增加件4和件5两个金属环板，材质与衬套管相同均为incoloy800H，内缘分别与件1、件2相焊接，外缘不焊接并保留合适的膨胀空间，此处空间通过高温耐火纤维进行填充，通过增加金属环板结构起导流作用可有效降低转化气对衬里的冲蚀。（2）改进冷壁集合管连接形式取消法兰连接，将法兰连接方式改为整体焊接方式。即施工时首先将集合管内衬管进行焊接，然后进行衬里浇筑及外壁管施工，通过此方法可实现内衬管中转化气在完全密闭空间高速流动避免了转化气外溢至衬里，可有效避免冷壁集合管外壁过热超温现象。4 处理措施及改进方式

4.1 处理措施

新区制氢装置利用停工消缺机会对泄漏法兰内部衬里进行修复，具体修复过程如下：打开冷壁集合管法兰使超温部位的耐火材料完全暴露出来，施工技术人员使用手工工具把产生缺陷的衬里从法兰内部完全解体去除，即法兰内壁与内衬套之间衬里全部解体并沿内衬套轴向去除衬里深度为25cm,去除后内部整洁无衬里颗粒杂物，对解体后超温部位衬里处理成阶梯形，以保证新衬里料与老衬里料进行有效结合。从1＃法兰侧上方对衬里进行浇注性修复，浇注施工完毕后对衬里进行12小时养护。衬里修复完毕检查合格后将冷壁集合管1#、2#法兰进行螺栓把紧连接。制氢装置开工正常后，对衬里修复后的冷壁集合管1＃法兰外壁温度进行测温检查，最高温度为159℃，低于设计温度200℃，修复效果较为理想,装置在后续运行过程中法兰未出现超温现象。5 结束语

针对制氢转化炉冷壁集合管法兰局部过热进行原因分析，可以得出法兰内衬套连接部位转化气外溢冲刷导致衬里产生缝隙、剥落等缺陷致使法兰局部过热，螺栓预紧力下降导致法兰泄漏,提出了可行的改进措施，为实现制氢转化炉冷壁集合管长周期运行提供了有效保障。参考文献

[1]徐宝元.转化炉集合管衬里的改造[J].石油化工设备技术，2002，23（2）.

4.2 改进方法 288