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，鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

氣體流量儀表是國家重點(diǎn)管理的強(qiáng)檢計量器具，也是科學(xué)管理能源，實現(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”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(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]。裝置平面布置如圖1所示。

1.消音器；2.前直管段；3.被檢表；4.后直管段；5.U型匯管；6.計量噴嘴撬裝；7.噴嘴后匯管；8.建設(shè)備層動力系統(tǒng)

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、被檢表、后直管段、U型匯管、計量噴嘴撬裝、噴嘴后匯管和背壓容器，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，從而實現(xiàn)對氣體流量儀表的檢定。

2 數(shù)學(xué)模型

該裝置對按理想氣體處理時和考慮濕度影響時分別建立了數(shù)學(xué)模型。這里僅給出了考慮濕度時音速噴嘴流量的數(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為通過音速噴嘴的臨界質(zhì)量流量；A*為音速噴嘴喉徑部的截面積；C為音速噴嘴的流出系數(shù)；C*為臨界流函數(shù)(實際空氣，一維等熵流)；p0為音速噴嘴滯止壓力；ρ0為音速噴嘴滯止密度。

2.2 臨界流函數(shù)[3]

(2)

式中：κ為等熵指數(shù)；Z0為滯止?fàn)顟B(tài)下的氣體壓縮系數(shù)。

式中：cp為氣體的定壓比熱；cV為氣體的定容比熱；ρg0為滯止?fàn)顟B(tài)下空氣的密度；cpg為空氣的定壓比熱；φ0為空氣相對濕度；ρs0為水蒸汽的滯止密度；cps為水蒸汽的定壓比熱；cVg為空氣的定容比熱；cVs為水蒸汽的定容比熱。

定壓比熱和定容比熱由以下兩式確定(式中諸系數(shù)a0,a1,a2,a3見表1)；

cV=cp-RV

式中：T為熱力學(xué)溫度；M為定壓摩爾質(zhì)量；RV為氣體常數(shù)。

表1 定壓比熱、定容比熱公式系數(shù)

2.3 密度計算

2.4 相對濕度計算

式中:φa為空氣相對濕度；Ta為溫度空氣；pa為空氣壓力。

2.5 濕度對被檢流量計的影響

通過被檢表的質(zhì)量流量：qm1=qm0

通過被檢表的工況體積流量：qV1=qm0/ρ1

通過被檢表的標(biāo)況體積流量：qVn=qm0/ρn

式中:ρa(bǔ) smax為飽和水蒸汽密度；ρn=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1，2，4，8，16，32，64，128，256，512，1024，1250，1500m3/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1250m3/h噴嘴外形尺寸一致，擴(kuò)展流量時可用這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，0～50℃，最大允許誤差的絕對值≤0.1℃，分度值不大于0.01℃；壓力測量采用0.05級，0～104kPa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工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集模塊化、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)提供實時閥門狀態(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(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，后直管段采用10D；標(biāo)準(zhǔn)表安裝管采用管道式安裝，管道設(shè)計制作遵從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)及其配套設(shè)備均放置于設(shè)備層，與裝置隔離降低噪音，通過計算機(jī)遠(yuǎn)程控制，即在軟件界面上點(diǎn)擊相應(yīng)的泵閥就可以實現(xiàn)開關(guān)動作。

4 主要技術(shù)特點(diǎn)

4.1 計量性能

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)；能檢定和傳遞1.0級氣體流量儀表。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)表

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)評估不確定度優(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，每個管道上都有壓力測量儀表，屬國內(nèi)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個計量撬裝組，其中1#計量撬有1，2，4，8，16，32，64，128m3/h等8個音速噴嘴組成，2#計量撬組有256，512，1024m3/h等3個音速噴嘴組成，3#～7#計量撬組分別各有3個1024m3/h標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組成，8#計量撬組裝有1024，1250，1250m3/h等3個音速噴嘴組成。

4.5 裝置的可擴(kuò)展性

該裝置考慮單個噴嘴的可擴(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。包括三個相對獨(dú)立的系統(tǒng)：1)音速噴嘴法對被檢表系統(tǒng)；2)音速噴嘴法對標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)；3)標(biāo)準(zhǔn)表法對被檢表系統(tǒng)。通過檢定系統(tǒng)可進(jìn)行整套裝置計量性能的自比對工作和正負(fù)壓下的密封性檢驗。

4.6 安全穩(wěn)定性

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。

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；若進(jìn)行了誤操作，電腦能夠報警，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1.5m，高3m的通道內(nèi)，由地下設(shè)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(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、能源計量、氣體大流量儀表型式評價等工作提供強(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值。

[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):50-54

[2] 王池,王自和,蘇彥勛，等.JJG 620—1994 速度式流量計檢定規(guī)程[S]

[3] 王自和,范砧.氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(修訂版)[M].北京:中國計量出版社,2005：25-26

[4] ISO 9300-2005 Measurement of Gas Flow by Means of Critical Flow Venturi Nozzles[S]

[5] 蘇彥勛,梁國偉,盛健.流量計量與測試[M].北京:中國計量出版社,2007