超大口徑流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)裝置周軼 趙作廣 江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督氣體流量計(jì)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(fù)壓法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理，數(shù)學(xué)模型，技術(shù)性能和特點(diǎn)，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(bǔ)了我國該領(lǐng)域的空白，具有重要的社會意義和推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞 音速噴嘴；負(fù)壓法；氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置；不確定度；標(biāo)準(zhǔn)表0 概述氣體流量儀表是國家重點(diǎn)管理的強(qiáng)檢計(jì)量器具，也是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段，是能源管理和經(jīng)濟(jì)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(shí)施和建設(shè)，城市燃?xì)膺M(jìn)入高速發(fā)展期，越來越多的超大口徑氣體流量儀表應(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)確度撬裝管道式音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。1 工作原理超大口徑音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的一種。標(biāo)準(zhǔn)表采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、無可動部件、維護(hù)方便的音速噴嘴1。圖1：裝置平面布置圖裝置工作時(shí)，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(jì)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(diǎn)。通過動力系統(tǒng)可保證進(jìn)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(jī)系統(tǒng)采集和處理噴嘴前的氣流壓力和溫度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行比較和計(jì)算，即可得到被檢表在該流量點(diǎn)的基本誤差和重復(fù)性誤差，從而實(shí)現(xiàn)對氣體流量儀表的檢定。2 數(shù)學(xué)模型該裝置在按理想氣體處理時(shí)和考慮濕度影響時(shí)分別建

4、立了數(shù)學(xué)模型。這里僅給出了考慮濕度時(shí)音速噴嘴流量的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型中，下標(biāo)0表示噴嘴滯止容器處的相關(guān)參數(shù)，下標(biāo)1表示被檢表處的相關(guān)參數(shù)，下標(biāo)n表示標(biāo)準(zhǔn)狀況相關(guān)參數(shù)，下標(biāo)a表示環(huán)境空氣的相關(guān)參數(shù)，下標(biāo)m表示質(zhì)量流量，下標(biāo)v表示體積流量，下標(biāo)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(shí)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(shí)際空氣，一維等熵流）；等熵指數(shù)；Z0滯止?fàn)顟B(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?fàn)顟B(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(xué)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(jì)算（常壓下、取1）2.4 相對濕度計(jì)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(jì)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)器組標(biāo)準(zhǔn)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(gè)1500m3/h噴嘴外形尺寸與1250 m3/h噴嘴外形尺寸一致，為擴(kuò)展流量時(shí)能用這2個(gè)1500m3/h的噴嘴代替2個(gè)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(jì)，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(yùn)算速度快、接口帶光電隔離，抗干擾能力強(qiáng)，作為下位機(jī)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(shí)時(shí)閥門狀態(tài)信息。PC作為上位機(jī)，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(shí)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(bào)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)檢測臺位， DN100、DN150與DN200共用一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)表安裝管采用管道式安裝，管道設(shè)計(jì)制作遵從ISO標(biāo)準(zhǔn)4；被檢表測量管路和標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備層，與裝置隔離降低噪音，通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，即在軟件界面上點(diǎn)擊相應(yīng)的泵閥就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)動作。4 主要技術(shù)特點(diǎn)4.1 計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)表安裝方式5裝置采用管道式，每個(gè)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)表撬裝式組合該裝置共用8個(gè)計(jì)量撬裝組，其中1計(jì)量撬有1m3/h、2m3/h、4m3/h、8m3/h、16m3/h、32m3/h、64m3/h、128m3/h等8個(gè)音速噴嘴組成，2計(jì)量撬有256m3/h、512m3/h、1024m3/h等3個(gè)音速噴嘴組成，37計(jì)量撬分別各有3個(gè)1024m3/h標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組成，8

11、計(jì)量撬裝有1024m3/h、1250m3/h、1250m3/h等3個(gè)音速噴嘴組成。4.5 裝置的可擴(kuò)展性該裝置考慮單個(gè)噴嘴的可擴(kuò)展性，向下可擴(kuò)展至0.1m3/h，向上可擴(kuò)至1500m3/h。整體預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)表接口，擴(kuò)展后兩套不同類型標(biāo)準(zhǔn)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(dá)30000m3/h。包括三個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)音速噴嘴法對被檢表系統(tǒng)；音速噴嘴法對標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)；標(biāo)準(zhǔn)表法對被檢表系統(tǒng)。通過檢定系統(tǒng)可進(jìn)行整套裝置計(jì)量性能的自比對工作和正負(fù)壓下的密封性檢驗(yàn)。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(dá)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(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備運(yùn)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(jìn)行了誤操作，檢定電腦能夠報(bào)警，檢定裝置不能運(yùn)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(dá)由磚砌寬1.5米，高3米的通道內(nèi)，由地下設(shè)備層至一層裝置實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以起到溫度平衡的作用。4.8 抗干擾措施 分層設(shè)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(dú)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)裝置的建立，填補(bǔ)了我國在大口徑大流量氣體流量儀表校準(zhǔn)和檢測領(lǐng)域的空白，將為我國節(jié)能減排、能源計(jì)量、氣體大流量儀表型式評價(jià)等工作提供強(qiáng)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(jià)值。參考文獻(xiàn)1 郭愛華.標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置J.自動化儀表,2009（8）:5054.2 王池,王