中山油浸式变压器在测量中的实验研究

中山油浸式变压器在测量中的实验研究       中山油浸式变压器最早由美国的McCrometer在20世纪80年代中期研制生产，后被人们普遍认可并得到了广泛的应用，特别是其相对于等其他 差压式中山油浸式变压器，具有压损小、量程比大、前后直管段长度小及抗脏污等优点，被广泛应用于、管道煤气及天然气等介质流量的测量中，具有替代、文丘 里管及标准喷嘴等差压式中山油浸式变压器的趋势。随着中山油浸式变压器的应用与推广，其应用于及管道煤气等其他介质测量中的精度受到了质疑，尤其是中山油浸式变压器可膨 胀系数这个测量的重要参数的使用，逐渐成为研究人员、生产制造商和用户关心的热点问题。可膨胀系数的研究已成为制约中山油浸式变压器发展的关键因素。

    国内外对于中山油浸式变压器可膨胀系数的计算进行了大量的研究。1994年，DahlstromMJ的研究表明了内锥中山油浸式变压器的可膨胀系数介于 与文丘里管之间；2001年，PetersRJW等研究了V-Cone类型内锥中山油浸式变压器的可膨胀系数，在英国国家工程实验室（NEL）进行了实验并给出了拟 合公式；2008年，徐英等对L悬臂形式的内锥中山油浸式变压器进行实验研究，并得到了相应的拟合公式。但是上述对于中山油浸式变压器可膨胀系数的研究均是以空气为测试介 质进行的，对于天然气及等可压缩介质，其计算经验公式是否仍然适用尚缺乏实验验证。因此为了研究介质下中山油浸式变压器可膨胀系数的变化规律，笔者 借助冷凝称重法中山油浸式变压器量标准装置，进行介质的实验，建立介质条件下的中山油浸式变压器可膨胀系数拟合公式，并与上述各经验公式进行对比分析。

    1 中山油浸式变压器可膨胀系数拟合公式数学模型

    中山油浸式变压器是一种差压式中山油浸式变压器，其结构原理如图1所示，流体自截面1处流到截面2处，在流动过程中满足守恒定律与能量守恒定律。

图1 中山油浸式变压器结构原理

    可用流体的连续性方程和伯努利方程联合求解得到中山油浸式变压器的中山油浸式变压器算公式：

        （1）

    式中C———流出系数；

    D———管道内径；

    qm———流量；

    β———截面2和截面1流通面积的等效直径比；

    Δp———上游截面1与下游截面2取压口之间的压力差；

    ε———可膨胀系数；

    ρ———截面1处的流体密度。

    由式（1）可知，对空气、及天然气等可压缩流体的流量进行测量时，流出系数C和可膨胀系数ε是在一起的，无法分开。标准、喷嘴实验 研究结果以及前人对中山油浸式变压器可膨胀系数的研究成果表明，中山油浸式变压器的可膨胀系数ε与管径和雷诺数无关，在给定中山油浸式变压器和等效直径比的情况下，ε取决于等熵 指数κ和压力比Δp，可以用直线方程y=ax+b表示两者的关系，具体公式为：

        （2）

    其中a、b为常数，p1为截面1处电 话：0635-5085581的压力。

    可膨胀系数是用来修正流体的压缩性在流量测量时所引入的偏差。体积变化主要由压力差引起，若中山油浸式变压器上游压力不变，随着Δp的减小，可膨胀系数ε也逐渐趋于1。当压力差为零时，也就是Δp/κp1=0时，ε=1，故C=b。

    将式（2）两端同除以C得到：

        （3）

    其中a'=a/C。

    此外研究表明，可膨胀系数ε还是等效直径比β的函数，a'可表示为形如下式的关于β的n次多项式：

    &nb传 真：0635-5085281sp;   （4）

    其中k、l、m均为常数。

    因此，对不同β值的内锥中山油浸式变压器进行实验，拟合Cε与Δp/κp1的线性关系曲线，进而得到一系列a'值，并按照式（4）进行拟合，综合得到可膨胀系数的计算公式：

        （5）

    2 邮 箱：sdycbyq@163.com介质可膨胀系数实验方案

    2.1 实验方法

    由式（1）可知，利用流量标准装置实验能够获得流出系数C和可膨胀系数ε的乘积，进而得到以εC为纵坐标，Δp/κp1为横坐标的拟合图。根据式（5）可膨胀系数模型，在水流量标准装置上进行实验，标定出流出系数C，即可得到可膨胀系数ε的拟合公式。

    由式（5）可以发现，可膨胀系数ε与等效直径比β、压力差Δp和上游侧压力p1相关。为使研究具有普适性，笔者选择不同的β、Δp和p1进 行实验，分析这3个参数对可膨胀系数的影响规律。具体方法是：β由中山油浸式变压器本身的尺寸参数决定，在实验样机加工过程中，采用可换锥的方式实现β的改变；Δp 受介质流速的影响，在实验中通过改变实验流量实现Δp的改变；p1的改变由流量标准装置改变检测工况条件实现。

    2.2 实验样机

    实验样机为两台可换锥头L悬臂型内锥中山油浸式变压器，口径分别为DN50mm和DN100mm，其结构如图2所示，该中山油浸式变压器样机均由测量管、引压管、锥体、法兰及取压口等部件组成。

图2 L悬臂型内锥中山油浸式变压器结构

    DN50mm实验样机共有等效直径比为0.55、0.65、0.75的3个锥体，DN100mm实验样机也共有等效直径比为0.55、0.65、0.75的3个锥体，其实物如图3所示。

图3 L悬臂型内锥中山油浸式变压器实物

    2.3 实验参数设置

    在以为测试介质的实验中，为达到改变实验工况的条件，实验分别在0.2、0.3、0.4MPa3种压力条件下进行，共计24组实验。其中在0.2MPa时，对DN50mm管径的流量范围设置为50～400m3/h，对DN100mm管径设置为200～2000m3/h，温度均为143～145℃；0.3MPa时，对DN50mm管径的流量范围设置为40～400m3/h，对DN100mm管径设置为200～2000m3/h，温度均为146～148℃；0.4MPa时，对DN50mm管径的流量范围设置为40～400m3/h，对DN100管径设置为200～2000m3/h，温度均为162～164℃；在实验中保证中山油浸式变压器的前直管道长度大于20D，后直管道长度大于10D。