同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院　王　海　姚晟宇　朱　彤　吳　竺

寬量程組合燃?xì)庥?jì)量方法及計(jì)量特性實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院王海姚晟宇朱彤吳竺

為減少燃?xì)廨敳?，提出了一種基于多個(gè)渦輪流量計(jì)組合的寬量程燃?xì)庥?jì)量方法和燃?xì)獗砬袚Q測(cè)量原則，以滿足全量程范圍內(nèi)的高測(cè)量精度，同時(shí)開展了全量程范圍內(nèi)計(jì)量特性的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，通過(guò)合理的儀表選型和切換區(qū)間參數(shù)設(shè)計(jì)、控制策略，該方法可滿足寬量程燃?xì)庥?jì)量的高精度測(cè)量要求，且燃?xì)獗砬袚Q過(guò)程中壓力波動(dòng)小。

天然氣燃?xì)廨敳顚捔砍塘髁坑?jì)量組合儀表

0　前言

近年來(lái)，天然氣作為一種清潔能源在各類工業(yè)生產(chǎn)中使用越來(lái)越廣泛。然而，天然氣輸差成為影響燃?xì)夤?yīng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主要因素之一。天然氣輸差是指外購(gòu)氣量Q1與銷售氣量Q2之間的差額占外購(gòu)氣量的百分比，又稱購(gòu)銷差，即燃?xì)廨敳?(Q1-Q2)/Q1×100%。在城市燃?xì)廨斔瓦^(guò)程中，由于計(jì)量設(shè)備誤差，輸氣系統(tǒng)泄漏及其他人為因素會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨敳?。許多文獻(xiàn)都報(bào)道了控制和管理燃?xì)廨敳畹霓k法、使用條件和效果。

常見的一種情況是，許多用戶燃?xì)庥?jì)劃使用量與實(shí)際嚴(yán)重不符，出現(xiàn)用氣設(shè)備額定流量與計(jì)量表型號(hào)不匹配等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了計(jì)量精度。個(gè)別商業(yè)用戶采用一塊計(jì)量表帶多臺(tái)用氣設(shè)備，不僅出現(xiàn)由于用氣量小、影響計(jì)量表準(zhǔn)確度的問(wèn)題，而且還出現(xiàn)用戶開1臺(tái)用氣設(shè)備時(shí)計(jì)量表不顯示流量的情況，嚴(yán)重?fù)p害了燃?xì)夤镜慕?jīng)濟(jì)利益。而且，部分商業(yè)用戶為了及早接通天然氣，在沒(méi)有選定用氣設(shè)備、甚至不清楚用氣總量的情況下就申請(qǐng)安裝了天然氣管道和計(jì)量?jī)x表。這種情況導(dǎo)致設(shè)計(jì)委托書上所提供數(shù)據(jù)與實(shí)際用量不符，用氣設(shè)備的額定流量與計(jì)量表型號(hào)不匹配，嚴(yán)重影響了計(jì)量準(zhǔn)確度。

為了解決燃?xì)廨敳顔?wèn)題，除了加強(qiáng)管理措施外，還需要發(fā)展寬量程的燃?xì)庥?jì)量?jī)x表。隨著流量測(cè)試技術(shù)和儀表制造工藝的提高，寬量程燃?xì)饬髁繙y(cè)量方法的研究也取得了進(jìn)一步發(fā)展。其中李朝輝《燃?xì)饬髁繉捔砍逃?jì)量標(biāo)定方法研究》提出燃?xì)饬髁糠侄斡?jì)量，不同流量段采用適合該流量段的燃?xì)鉁y(cè)量理論和方法，并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)研制了一種新型的城市燃?xì)饬髁坑?jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)城市燃?xì)獾膶捔砍逃?jì)量。還有鄧建文《提高燃?xì)庥?jì)量準(zhǔn)確性的探討》提出多路不同流量計(jì)量范圍的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)并聯(lián)計(jì)量的方法；然后采用同一標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)并聯(lián)不同差壓范圍的一體化流量計(jì)算機(jī)，變換標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)孔板β值。為提高燃?xì)庥?jì)量準(zhǔn)確性，黨進(jìn)等《然氣流量寬量程的計(jì)量》探討了實(shí)際生產(chǎn)中影響孔板流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的相關(guān)因素，并提出了關(guān)于孔板流量計(jì)倍率的測(cè)定方法。

上述文獻(xiàn)中所報(bào)道的孔板和超聲波流量計(jì)一般適用于門站等大流量測(cè)量場(chǎng)合；皮膜表和羅茨(腰輪)表則適用于民用戶等小型流量測(cè)量場(chǎng)合。而在普通工業(yè)用戶常遇到的測(cè)量范圍里，最適宜的流量計(jì)為渦輪表和羅茨(腰輪)表。其中，渦輪表的價(jià)格適中，而且受脈動(dòng)流動(dòng)的影響更小。本文介紹了一種基于多個(gè)渦輪流量計(jì)組合的計(jì)量系統(tǒng)，能夠保證測(cè)量精度，且有效擴(kuò)展了燃?xì)饬髁康臏y(cè)量范圍，并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1　寬量程組合燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)

1.1寬量程組合燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)組成

寬量程組合燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)是由多個(gè)渦輪流量計(jì)及其配套閥門組合而成的計(jì)量系統(tǒng)。以兩塊流量計(jì)組成的寬量程計(jì)量系統(tǒng)為例，如圖1所示。

圖1　寬量程組合燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)示意

由圖1可見，寬量程組合燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)具有兩塊流量表，一塊為小量程流量表A；另一塊為大量程流量表B。兩塊流量表將各自所測(cè)量的流量信號(hào)顯示到一塊體積修正儀上。一般情況下，手閥1和手閥2保持常開。當(dāng)流量在小量程燃?xì)獗鞟的量程范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)開啟小量程流量表A的配套電動(dòng)閥門，關(guān)閉大量程流量表B的電動(dòng)閥門。這時(shí)，計(jì)量采用小量程流量表A的流量讀數(shù)值。反之，則相反。但由于表A、表B存在量程重疊的測(cè)量區(qū)間，則需要制定相關(guān)的計(jì)量控制策略。

1.2計(jì)量系統(tǒng)的控制策略

在整個(gè)流量測(cè)量范圍內(nèi)，所采用的兩只燃?xì)獗淼挠?jì)量范圍及其切換方式圖2所示：

圖2　組合燃?xì)獗淼挠?jì)量范圍及切換方式

如圖2所示，這兩只燃?xì)獗淼那袚Q過(guò)程分為兩種情況。當(dāng)流量逐漸增加時(shí)為“上行”過(guò)程。上行過(guò)程中，當(dāng)流量增加到切換區(qū)域的上限Rqmax時(shí)，表B對(duì)應(yīng)的閥門開始動(dòng)作，待表B對(duì)應(yīng)的閥門完全打開后，表A對(duì)應(yīng)的閥門開始關(guān)閉，此時(shí)，燃?xì)饬髁康挠?jì)量讀數(shù)從表A切換到表B。反之，當(dāng)流量逐漸減少時(shí)為“下行”過(guò)程。下行過(guò)程中，流量減少到切換區(qū)域的下限Rqmin時(shí)，表A對(duì)應(yīng)的閥門打開，待表A對(duì)應(yīng)的閥門完全打開后，表B對(duì)應(yīng)的閥門開始關(guān)閉，燃?xì)饬髁康挠?jì)量從表B切換到表A。切換區(qū)域的上限Rqmax和下限Rqmin需要根據(jù)燃?xì)饬髁拷?jīng)常波動(dòng)范圍以及保證計(jì)量準(zhǔn)確兩個(gè)方面來(lái)確定。這兩個(gè)上下限值可以根據(jù)實(shí)際情況而調(diào)整，不同的應(yīng)用對(duì)象可以有不同的取值。

寬量程燃?xì)饨M合流量表的兩個(gè)電動(dòng)閥門在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，總是處于一開一關(guān)狀態(tài)；即使在掉電情況下，仍然能夠保證至少有一個(gè)閥門處于開的狀態(tài)。當(dāng)閥門切換時(shí)，先開啟一個(gè)閥，待閥位信號(hào)輸出“開狀態(tài)”后再關(guān)閉另一閥門。為避免由于負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的頻繁開關(guān)閥門，閥門切換動(dòng)作完成后一段時(shí)間內(nèi)不再進(jìn)行切換。在工程中，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整閥門鎖定時(shí)間長(zhǎng)度。

1.3確定燃?xì)庥?jì)量表的組合原則

假定表A測(cè)量范圍為小流量、表B測(cè)量范圍為大流量。其中，表A的量程為：RAmin～RAmax，表B的量程為：RBmin～RBmax。如可根據(jù)渦輪燃?xì)庥?jì)量表的測(cè)量特性可知，計(jì)量表的測(cè)量范圍在0～20%內(nèi)，精度為e(如2%)，在計(jì)量表測(cè)量范圍20～100%內(nèi)，精度為f(如1%)。

選型時(shí)的主要的原則是盡可能的使組合燃?xì)獗碚麄€(gè)測(cè)量范圍內(nèi)都保持盡量高的測(cè)量精度。在流量Qmin～Qmax之間的范圍內(nèi)，得到盡可能高的測(cè)量精度，為此，需要確定燃?xì)庥?jì)量表組合選配準(zhǔn)則。

以兩只不同測(cè)量量程的燃?xì)庥?jì)量表組合為例。表A的測(cè)量范圍為8～160 m3/h，表B的測(cè)量范圍為50～1 000 m3/h，則可定義若干測(cè)量區(qū)間范圍如圖3所示。對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行選型時(shí)的原則分析如下：

(1)低精度區(qū)I：RI=RAmax×20%

(2)低精度區(qū)II：RII=RBmax×20%

(3)兩只表的量程重疊區(qū)III：RIII=RBmin～RAmax

(4)低精度區(qū)II與RAmax之間的區(qū)域IV：RIV=RIImax～RAmax

(5)RAmin

(6)RBmax>Qmax

(7)RBmin

圖3　組合燃?xì)庥?jì)量表測(cè)量精度區(qū)間

根據(jù)燃?xì)庥?jì)量表測(cè)量精度盡可能高的要求，制定燃?xì)庥?jì)量表優(yōu)化組合選配規(guī)則如下：

RIV的區(qū)間范圍越小越好；

RI的區(qū)間越小越好；

RII的區(qū)間越小越好；

RIII的區(qū)間須>0。

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

寬量程組合燃?xì)庥?jì)量表系統(tǒng)的箱體內(nèi)包括兩只渦輪燃?xì)獗?。一只型?hào)為TBQZ-80A，量程范圍8～160 m3/h；另一只型號(hào)為TBQZ-150B，量程范圍50～1 000 m3/h。此外，還有兩個(gè)CHQ系列電動(dòng)閥門與流量表相連接。兩只燃?xì)獗淼臉?biāo)況流量、實(shí)況流量和當(dāng)前溫度都顯示在TFC型體積修正儀上。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。組合燃?xì)獗硐到y(tǒng)的出口法蘭采用圓管連接到噴嘴測(cè)量箱。圓管壁面上垂直管壁面開孔，將差壓表p2的負(fù)腔引壓管連接到開孔上，差壓表p2的正腔引壓管連接到大氣環(huán)境中。故差壓表p2所顯示數(shù)值為組合燃?xì)庥?jì)量表系統(tǒng)的流動(dòng)阻力大小。噴嘴測(cè)量箱分為進(jìn)口部分和出口部分，這兩部分之間安裝噴嘴組。在噴嘴組前安裝一個(gè)pt100溫度探頭；在噴嘴組前后安裝差壓表p1，測(cè)量噴嘴前后的壓差值。根據(jù)噴嘴前后的壓差值可以計(jì)算出通過(guò)噴嘴箱的氣體流量。

噴嘴測(cè)量箱的出口用軟管連接到閥門調(diào)節(jié)箱。在閥門調(diào)節(jié)箱上，從前端到后端一共對(duì)稱安裝了3對(duì)不同口徑的閥門。可通過(guò)閥門的開度調(diào)節(jié)組合燃?xì)獗淼倪M(jìn)口氣體流量。閥門調(diào)節(jié)箱的出口處安裝了一個(gè)大口徑手動(dòng)閥門，調(diào)節(jié)該閥門開度可調(diào)節(jié)整個(gè)管路的引風(fēng)量。在這個(gè)手動(dòng)閥門的出口用軟管連接引風(fēng)機(jī)。

圖4　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

3.1數(shù)據(jù)處理方法

(1)風(fēng)量計(jì)算公式為：

(vno初始值為收斂條件

式中：Cd——噴嘴流量系數(shù)；

ε——膨脹系數(shù)；

A——噴嘴面積，m2；

D——噴嘴直徑，m；

Δpn——噴嘴前后靜壓差，Pa；

vn′——噴嘴進(jìn)口處空氣濕空氣比容，m3/kg；

p——當(dāng)前大氣壓，kPa；

Wn——噴嘴前空氣含濕量，也就是空調(diào)出口含濕量，kg/kg；

vn——在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(取101 325 Pa)下的濕空氣比體積，m3/kg；

Re——雷諾數(shù)；

ν——空氣在噴嘴前溫度下的動(dòng)力粘性系數(shù)，m2/s；

α——噴嘴前后壓力比。

(2)物性計(jì)算：

空氣焓值計(jì)算公式：

式中：ha——空氣焓值，kJ/kg；

ta——濕空氣干球溫度，℃；

W——濕空氣含濕量，kg/kg；

濕空氣含濕量的計(jì)算公式：

式中：W——干球溫度ta下濕空氣含濕量，kg/kg；

Ws——濕球溫度tas下飽和濕空氣含濕量，kg/kg；

ta——濕空氣干球溫度，℃；

tas——濕空氣濕球溫度，℃；

p——當(dāng)時(shí)空氣大氣壓力，Pa；

pvs——濕球溫度對(duì)應(yīng)飽和水蒸氣壓力，Pa。

(3)空氣相對(duì)濕度計(jì)算公式：

W——濕空氣含濕量，kg/kg；

pq——水蒸汽分壓力，Pa；

pqv——ta溫度下的濕空氣飽和水蒸氣壓力，Pa；

p——大氣壓，初值為101 325 Pa。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1組合燃?xì)獗砼c噴嘴法的測(cè)量值對(duì)比

根據(jù)流量上行過(guò)程和下行過(guò)程，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。對(duì)組合燃?xì)獗眍^上所顯示的氣體標(biāo)況流量(m3/h)，實(shí)際工況流量(m3/h)，氣體溫度(℃)進(jìn)行了記錄；同時(shí)，也對(duì)實(shí)驗(yàn)中差壓表p1和p2所顯示壓力差值(Pa)，噴嘴組前氣體溫度值(℃)進(jìn)行了記錄。通過(guò)前面介紹的方法可計(jì)算得到噴嘴法的標(biāo)準(zhǔn)工況流量(m3/h)和實(shí)際工況流量(m3/h)?？捎?jì)算表頭標(biāo)況流量與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的標(biāo)況流量的偏差(%)。

在整個(gè)寬量程燃?xì)饬髁坑?jì)量范圍內(nèi)，表頭所計(jì)量的流量值與通過(guò)噴嘴法測(cè)量所得的流量值是非常接近的。在上行過(guò)程中，兩者的平均偏差為0.88%；其最大偏差為3.88%，此時(shí)表頭標(biāo)況流量為26.46 m3/h，噴嘴法測(cè)量的標(biāo)況流量為25.5 m3/h。在下行過(guò)程中，兩者的平均偏差為0.99%；其最大偏差為6.50%，此時(shí)表頭標(biāo)況流量為18.44 m3/h，噴嘴法測(cè)量的標(biāo)況流量為19.72 m3/h。圖5和圖6中標(biāo)明了在兩只流量表切換區(qū)間，表頭所計(jì)量的流量值與通過(guò)噴嘴法測(cè)量所得的流量值的比較。

圖5　上行程工況組合燃?xì)獗砼c噴嘴測(cè)量法標(biāo)準(zhǔn)流量對(duì)比

圖6　下行程工況組合燃?xì)獗砼c噴嘴測(cè)量法標(biāo)準(zhǔn)流量對(duì)比

3.2.2燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間計(jì)量系統(tǒng)表后壓力和流量的變化特性

在兩塊燃?xì)饬髁勘砬袚Q區(qū)間，由于閥門切換，所述的計(jì)量系統(tǒng)的表后壓力會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。設(shè)壓差Δp2為環(huán)境大氣壓與p2之間的差值，即Δp2=patm?p2。在用戶使用時(shí)，需要考慮這種壓力波動(dòng)對(duì)用氣設(shè)備的影響。對(duì)上/下行程的切換區(qū)間壓力和流量測(cè)量整理后，可得到圖7～10的變化曲線。

圖7　上行程燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間壓力變化曲線

圖8　上行程燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間流量變化曲線

可知，上行程燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間，組合燃?xì)獗沓隹谔幍膲毫?流量特性分析如下：

(1)當(dāng)流量達(dá)到切換上限設(shè)定值時(shí)(140 m3/h)，對(duì)應(yīng)圖7、圖8中的第25 s，表B對(duì)應(yīng)的閥門開啟；此閥門開啟后，流通截面積逐漸增大，流動(dòng)阻力Δp2先上升后快速下降，此時(shí)流量Q上升，至圖示第72 s時(shí)，流動(dòng)阻力Δp2最小，流量Q最大；

(2)當(dāng)表B對(duì)應(yīng)的閥門開啟到100%(全開)時(shí)，表A對(duì)應(yīng)的閥門開始關(guān)閉。此時(shí)，流通截面積逐漸開始減小，流動(dòng)阻力Δp2略有上升，流量Q稍有減小。

圖9　下行程燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間壓力變化曲線

圖10　下行程燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間流量變化曲線

由圖9、圖10所示的壓力/流量變化曲線可知，下行程燃?xì)獗砬袚Q區(qū)間，組合燃?xì)獗沓隹谔幍膲毫?流量特性分析如下：

(1)當(dāng)流量達(dá)到切換下限值時(shí)(100 m3/h)，對(duì)應(yīng)圖8、圖9中的第28 s，表A對(duì)應(yīng)的閥門開啟，由于表A的管道截面積相對(duì)表B的小很多，故流動(dòng)阻力稍有下降，流量Q有所上升；

(2)當(dāng)表A對(duì)應(yīng)的閥門開啟到100%(全開)時(shí)，表B對(duì)應(yīng)的閥門開始關(guān)閉。此時(shí)，流動(dòng)阻力Δp2上升較快，流量Q開始下降。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)提出一種基于多個(gè)流量計(jì)組合的寬量程燃?xì)庥?jì)量方法。該方法能夠在保證測(cè)量精度的同時(shí)，可以有效擴(kuò)展燃?xì)饬髁康臏y(cè)量范圍；

(2)實(shí)驗(yàn)研究表明，本文所述的寬量程組合燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)噴嘴箱測(cè)量數(shù)據(jù)吻合。對(duì)流量范圍8～800 m3/h的工業(yè)用戶，可通過(guò)兩只不同量程范圍的燃?xì)庥?jì)量表組合，能夠滿足負(fù)荷變化大的工商用戶燃?xì)庥?jì)量寬量程且精度高的要求；

(3)在燃?xì)庥?jì)量表切換過(guò)程中有一定的燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)情況，其原因在于燃?xì)庥?jì)量表的切換原則是保證至少有一只燃?xì)獗淼拈y門處于“開”的狀態(tài)；即要求必須先打開原關(guān)閉的那只閥門，待全開后，才能關(guān)閉另一只閥門。這樣，在切換過(guò)程中，存在一小段兩只閥門全開、兩只燃?xì)庥?jì)量表同時(shí)工作的狀態(tài)，致使整個(gè)燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)的流通阻力先減小，后增加。

Experimental Study on Measurement Method and Characteristic of Wide Range Combined Gas School of Mechanical Engineering Tongji University

Wang HaiYao ShengyuZhu TongWu Zhu

For reducing the transmission error of gas, this paper proposes a wide range gas flowmeter method basing on the multiple turbine meter combination and the gas meter switching measurement's principle, in order to meet the high accuracy in the whole range, at the same time, experimental study is carried out in the whole range of metrological characteristics. The results show that: through the reasonable instrument selection and switching interval parameter design, changeable control strategy can meet high precision measurement demands on the wide range flow meter gas meter, and the pressure fluctuation is small during gas meter switching.

gas, transmission error of gas, wide range flow meter, combination instrument