超大口徑流量計檢測音速噴嘴裝置(江蘇氣體流量中心)

1、超大口徑音速噴嘴法氣體流量標準裝置周軼 趙作廣 江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督氣體流量計量檢測中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212009摘 要 對我國自行研制的目前國內(nèi)口徑和流量范圍最大的音速噴嘴負壓法氣體流量標準裝置的工作原理，數(shù)學模型，技術(shù)性能和特點，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，管路和輔助系統(tǒng)等做了較全面的論述和分析，并指出該裝置的建成填補了我國該領(lǐng)域的空白，具有重要的社會意義和推廣價值。關(guān)鍵詞 音速噴嘴；負壓法；氣體流量標準裝置；不確定度；標準表0 概述氣體流量儀表是國家重點管理的強檢計量器具，也是科學管理能源，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益的重要手段，是能源管理和經(jīng)濟核算不可缺少的工具。隨著我國“西氣東輸”、“俄氣南下”

2、和“液化天然氣上岸”等多條跨地區(qū)、跨國界的天然氣輸氣干線的實施和建設，城市燃氣進入高速發(fā)展期，越來越多的超大口徑氣體流量儀表應用到天然氣輸送管道上。為保證貿(mào)易公平，確保超大口徑氣體流量儀表的量值統(tǒng)一和準確，江蘇省氣體流量中心依據(jù)我國氣體流量儀表量值溯源現(xiàn)狀，開發(fā)研制了檢測最大流量20000m3/h，最大口徑600mm的高準確度撬裝管道式音速噴嘴法氣體流量標準裝置。1 工作原理超大口徑音速噴嘴法氣體流量標準裝置是負壓標準表法氣體流量標準裝置的一種。標準表采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、準確度高、無可動部件、維護方便的音速噴嘴1。圖1：裝置平面布置圖裝置工作時，在動力系統(tǒng)作用下，空氣流過消音器，前直管段，

3、被檢表，后直管段，U型匯管，計量噴嘴撬裝，噴嘴后匯管，背壓容器，最后經(jīng)真空泵排出。根據(jù)檢定流量值的大小，通過手動或自動控制閥門，選擇不同的噴嘴組合，調(diào)定所需的檢定流量點。通過動力系統(tǒng)可保證進入裝置的氣體流動相對穩(wěn)定并在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)。在穩(wěn)定的工況下，流經(jīng)音速噴嘴和被檢表的氣體質(zhì)量流量是相同的。在檢定過程中，工控機系統(tǒng)采集和處理噴嘴前的氣流壓力和溫度，計算出標準的氣體平均質(zhì)量流量或累積流量，并按有關(guān)的檢定規(guī)程，將它與采集到的被檢表的指示值進行比較和計算，即可得到被檢表在該流量點的基本誤差和重復性誤差，從而實現(xiàn)對氣體流量儀表的檢定。2 數(shù)學模型該裝置在按理想氣體處理時和考慮濕度影響時分別建

4、立了數(shù)學模型。這里僅給出了考慮濕度時音速噴嘴流量的數(shù)學模型。數(shù)學模型中，下標0表示噴嘴滯止容器處的相關(guān)參數(shù)，下標1表示被檢表處的相關(guān)參數(shù)，下標n表示標準狀況相關(guān)參數(shù)，下標a表示環(huán)境空氣的相關(guān)參數(shù)，下標m表示質(zhì)量流量，下標v表示體積流量，下標smax表示飽和水蒸汽。2.1 音速噴嘴臨界質(zhì)量流量2 （1）式中：qm0通過音速噴嘴的臨界質(zhì)量流量；音速噴嘴喉徑部的截面積；C音速噴嘴的流出系數(shù)；臨界流函數(shù)（實際空氣，一維等熵流）；P0音速噴嘴滯止壓力； 音速噴嘴滯止密度；2.2 臨界流函數(shù)3 （2）式中：臨界流函數(shù)（實際空氣，一維等熵流）；等熵指數(shù)；Z0滯止狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；等熵指數(shù)：；式中：cP氣

5、體的定壓比熱；cV氣體的定容比熱；滯止狀態(tài)下空氣的密度；空氣的定壓比熱；空氣相對濕度； 水蒸汽的滯止密度；水蒸汽的定壓比熱；空氣的定容比熱；水蒸汽的定容比熱；定壓比熱和定容比熱由以下兩式確定（式中諸系數(shù)見表1）；定壓比熱： 式中：T熱力學溫度； M 定壓摩爾質(zhì)量；定容比熱： 式中：RV氣體常數(shù)；表1 定壓比熱、定容比熱公式系數(shù)/kJ·kg-1·K-1空氣28.1061.9665×10-34.8023×10-6-1.9961×10-928.962287.08×10-3水蒸汽32.2381.9234×10-310.5549

6、15;10-6-3.5952×10-918461.9×10-32.3 密度計算（常壓下、取1）2.4 相對濕度計算式中:空氣相對濕度；溫度空氣；空氣壓力；2.5 濕度對被檢流量計的影響通過被檢表的質(zhì)量流量：通過被檢表的工況體積流量：通過被檢表的標況體積流量：（常壓下取1） 式中: 飽和水蒸汽密度=1.2046（kg/m3）3 裝置組成裝置組成主要包括：標準器組，溫度、壓力及濕度測量，數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，管路系統(tǒng)，動力系統(tǒng)等。3.1 標準器組標準器組包括1m3/h、2m3/h、4m3/h、8m3/h、16m3/h、32m3/h、64m3/h、128m3/h、256m3/h、5

7、12m3/h、1024m3/h、1250m3/h、1500m3/h等共31只音速噴嘴；裝置只能安裝29只音速噴嘴。2個1500m3/h噴嘴外形尺寸與1250 m3/h噴嘴外形尺寸一致，為擴展流量時能用這2個1500m3/h的噴嘴代替2個1250m3/h的噴嘴。3.2 溫度、壓力及濕度測量溫度測量采用Pt100A級鉑電阻，（050），MPEV0.1，分度值不大于0.01；壓力測量采用0.05級，（0104）kPa絕壓變送器；濕度測量采用數(shù)顯濕度計，測量范圍（10%99%）RH，允許誤差±2%RH。3.3 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)該系統(tǒng)采用兩級分層測控系統(tǒng)。PLC因其工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集模塊

8、化、運算速度快、接口帶光電隔離，抗干擾能力強，作為下位機執(zhí)行I/O數(shù)據(jù)采集、閥門控制以及向檢定系統(tǒng)提供實時閥門狀態(tài)信息。PC作為上位機，采用組態(tài)軟件編程，滿足系統(tǒng)的控制與管理功能要求，實現(xiàn)不同類型與流量范圍儀表的自動檢測控制，并完成數(shù)據(jù)處理、保存、顯示以及報表生成與打印。3.4 管路系統(tǒng)管路系統(tǒng)包括被檢表測量管、U型匯集管、標準表安裝管、真空泵抽排氣管道、臺位裝夾氣動閥門管路等。其中被檢表測量管有DN200、DN250、DN300、DN350、DN400、DN500、DN600共7個檢測臺位， DN100、DN150與DN200共用一個檢測臺位，前直管段可互相替換；前直管段采用20D，后直管段

9、采用10D；標準表安裝管采用管道式安裝，管道設計制作遵從ISO標準4；被檢表測量管路和標準表管路的U型匯集管采用DN600。3.5 動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)包括：水環(huán)式真空泵組、變頻器、氣液分離器、開關(guān)閥門組、真空緩沖罐等。該系統(tǒng)及其配套均放置于設備層，與裝置隔離降低噪音，通過計算機遠程控制，即在軟件界面上點擊相應的泵閥就可以實現(xiàn)開關(guān)動作。4 主要技術(shù)特點4.1 計量性能該裝置可檢測最大流量不低于20000m3/h；最大口徑為600mm；量程比為1：20000；不確定度優(yōu)于0.30%（k=2）；能夠檢定和傳遞1.0級氣體流量儀表。4.2 標準表 該裝置采用的圓環(huán)形音速噴嘴由國外超精密車床加工生產(chǎn)，經(jīng)評

10、估其不確定度優(yōu)于0.15%（k=2）。4.3 標準表安裝方式5裝置采用管道式，每個管道上都有壓力測量儀表，屬國內(nèi)大首套采用管道式安裝音速噴嘴的裝置。音速噴嘴安裝在圓形直管道中，并在上游方向配備2段整流管，第一段整流管確保音速噴嘴前方達到溫度均勻，第二段整流管確保對介質(zhì)的整流效果。4.4 標準表撬裝式組合該裝置共用8個計量撬裝組，其中1計量撬有1m3/h、2m3/h、4m3/h、8m3/h、16m3/h、32m3/h、64m3/h、128m3/h等8個音速噴嘴組成，2計量撬有256m3/h、512m3/h、1024m3/h等3個音速噴嘴組成，37計量撬分別各有3個1024m3/h標準噴嘴組成，8

11、計量撬裝有1024m3/h、1250m3/h、1250m3/h等3個音速噴嘴組成。4.5 裝置的可擴展性該裝置考慮單個噴嘴的可擴展性，向下可擴展至0.1m3/h，向上可擴至1500m3/h。整體預留標準表接口，擴展后兩套不同類型標準表系統(tǒng)共用一套被檢表測量管路，共用一套數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和控制系統(tǒng)，檢測流量可達30000m3/h。包括三個相對獨立的系統(tǒng)音速噴嘴法對被檢表系統(tǒng)；音速噴嘴法對標準表系統(tǒng)；標準表法對被檢表系統(tǒng)。通過檢定系統(tǒng)可進行整套裝置計量性能的自比對工作和正負壓下的密封性檢驗。4.6安全穩(wěn)定性4.6.1 硬件措施 裝置在20D前直管段前配有圓筒形消音器，夾層配有吸音材料，以達到降

12、噪效果；10D后直管段后配有防撞裝置，以防止氣體流量儀表和空氣顆粒進入標準表安裝管道損壞噴嘴。4.6.2 軟件措施 檢測人員在檢定室可以監(jiān)控地下室設備運行及流量儀表現(xiàn)場檢測情況（可監(jiān)控圖像與聲音）；客戶可在中心數(shù)據(jù)及外地客戶端通過監(jiān)控看到檢測現(xiàn)場與檢測數(shù)據(jù)的畫面；進行了誤操作，檢定電腦能夠報警，檢定裝置不能運行。4.7 排氣回流 氣體經(jīng)真空泵排出后，沿管路系統(tǒng)至氣液分離器，再經(jīng)管路到達由磚砌寬1.5米，高3米的通道內(nèi)，由地下設備層至一層裝置實驗室，結(jié)構(gòu)由兩面電動百葉窗組成，可對外排空；也可排到實驗室內(nèi)，以起到溫度平衡的作用。4.8 抗干擾措施 分層設置動力系統(tǒng)和測量系統(tǒng)；動力系統(tǒng)供電采用專線與測量控制系統(tǒng)電源分離，輸入端加入專用濾波器，動力電器電源單獨接地；模擬測量信號均采用極值濾波和算術(shù)平均值結(jié)合的濾波方式，進一步降低電磁干擾。5 結(jié)束語 超大口徑音速噴嘴法氣體流量標準裝置的建立，填補了我國在大口徑大流量氣體流量儀表校準和檢測領(lǐng)域的空白，將為我國節(jié)能減排、能源計量、氣體大流量儀表型式評價等工作提供強有力的檢測手段和技術(shù)支撐，具有重要的社會意義和推廣價值。參考文獻1 郭愛華.標準表法氣體流量標準裝置J.自動化儀表,2009（8）:5054.2 王池,王