（新疆兵天綠誠(chéng)塑料制品檢測(cè)有限公司，石河子市，832000） 楊紅濤

隨著我國(guó)“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(guó)界的天然氣輸入干線的實(shí)施和建設(shè)，城市燃?xì)膺M(jìn)入高速發(fā)展期，越來(lái)越多的超大口徑氣體流量?jī)x表應(yīng)用到天然氣的輸送管道上。無(wú)論是外部還是內(nèi)部對(duì)于用于貿(mào)易結(jié)算的流量?jī)x表的需求逐年增加。作為流量?jī)x表，無(wú)論新生產(chǎn)的儀表，使用中的儀表，維修后的儀表均要通過(guò)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。為了保證貿(mào)易公平，確保氣體流量?jī)x表的量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確，氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置建設(shè)需求增多。

根據(jù)“十三五”節(jié)能減排的總體要求，牢固樹(shù)立創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念，落實(shí)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境基本國(guó)策，以提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)，為建設(shè)生態(tài)文明提供有力支撐。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置的使用情況來(lái)看，臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是具有檢測(cè)技術(shù)成熟、流量范圍較寬、系統(tǒng)流量穩(wěn)定、流量調(diào)節(jié)靈活、檢定效率較高、系統(tǒng)造價(jià)適中的一種氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

對(duì)于氣體流量裝置的建設(shè)，噴嘴的合理選型設(shè)計(jì)變得尤為重要。

1 裝置的組成及工藝流程

一般由動(dòng)力氣源、噴嘴組、滯止容器或上游管線、滯止溫度測(cè)量?jī)x表、滯止壓力測(cè)量?jī)x表，濕度測(cè)量?jī)x表、被校流量計(jì)處溫度測(cè)量?jī)x表、被校流量計(jì)處壓力測(cè)量?jī)x表，計(jì)時(shí)器，試驗(yàn)管路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成。

其工藝流程為：通過(guò)氣源系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)組（或真空泵組）結(jié)合穩(wěn)壓容器（或緩沖容器）以及大氣，作為裝置的穩(wěn)定氣源。在微機(jī)上按照檢定流量計(jì)的需要，通過(guò)對(duì)噴嘴開(kāi)關(guān)閥門(mén)的操作，實(shí)現(xiàn)噴嘴組合流量的選擇與切換。在臨界流文丘里噴嘴進(jìn)入臨界流狀態(tài)后，等待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)（指系統(tǒng)的壓力、溫度、流量以及被檢流量計(jì)輸出趨于平穩(wěn)）。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，微機(jī)檢定系統(tǒng)再對(duì)裝置檢定過(guò)程的具體參數(shù)（溫度、壓力及被檢流量計(jì)的輸出等）進(jìn)行采集、處理、運(yùn)算及整理打印，完成對(duì)流量計(jì)的檢定操作。

工作介質(zhì)的滯止壓力等于或低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ难b置。

圖1 負(fù)壓法臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝圖

2 噴嘴特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞標(biāo)準(zhǔn)最為普遍的是音速文丘里噴嘴，氣體渦輪及容積式流量計(jì)等。音速文丘里噴嘴作為氣體流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)有很多優(yōu)點(diǎn)，如：工作的機(jī)理成熟，在原始標(biāo)準(zhǔn)上校準(zhǔn)確定的流出系數(shù)可推廣至不同工作條件去而不會(huì)降低準(zhǔn)確度；具有高準(zhǔn)確度，重復(fù)性好；流量特性質(zhì)量流量與入口滯止壓力成線性關(guān)系；流量信號(hào)取決于上游側(cè)的流體參數(shù)，并且不受下游流體參數(shù)變化的影響；無(wú)可動(dòng)部件，是半永久性的；工作范圍（壓力、流量、溫度）不受限制；尺寸緊湊，在同樣流量測(cè)量范圍，體積，造價(jià)等都比同等準(zhǔn)確度等級(jí)的流量標(biāo)裝置小的多，費(fèi)用低廉得多；流體在上游與喉部之間有很大的能量轉(zhuǎn)換，因此抗上游干擾能力強(qiáng)，要求的直管段長(zhǎng)度可以縮短；應(yīng)用出口擴(kuò)壓器使壓力恢復(fù)，可降低壓力損失，克服了壓損大的缺點(diǎn)。

正因音速文丘里噴嘴有諸多的優(yōu)點(diǎn)，世界先進(jìn)國(guó)家在選擇傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)都優(yōu)先考慮。如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，NIST 的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，科羅拉多州工程試驗(yàn)站的裝置，法國(guó)氣體公司的試驗(yàn)裝置以及英國(guó)的工程試驗(yàn)室的氣體裝置是采用音速?lài)娮熳鳛閭鬟f標(biāo)準(zhǔn)。而且國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)局ISO已制定了ISO9300：2005E有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 噴嘴的安裝形式

管道安裝方式（如圖2）是通過(guò)法蘭等部件將噴嘴鑲嵌在管道中。這種安裝方式需要在噴嘴的上游安裝直管段（直徑D、長(zhǎng)度L、整流器要求如圖2）。并在噴嘴上游管道0.9～1.1倍通徑位置測(cè)壓，1.8～2.2倍通徑位置測(cè)溫。從流場(chǎng)壓力分布不均的角度考慮，需要分別對(duì)噴嘴單獨(dú)做測(cè)壓、測(cè)溫。這種方式安裝的管道比較長(zhǎng)，另外還要有與噴嘴數(shù)量相一致的絕壓變送器，增加了測(cè)量點(diǎn)與成本。為解決這個(gè)問(wèn)題，有些裝置生產(chǎn)廠家采用了取壓匯管的方法。用一只匯管與所有噴嘴前取壓口聯(lián)通，再通過(guò)一只絕壓變送器來(lái)取均壓。由于存在相距較遠(yuǎn)、流量相差較大的噴嘴同時(shí)被選通的情況，所以這種做法的置信度應(yīng)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析驗(yàn)證。

圖2 噴嘴管道安裝方式

入口上游大空間安裝方式（如圖3）。當(dāng)在噴嘴軸線或入口平面5 倍噴嘴喉徑d 的空間內(nèi)無(wú)器壁，即視為噴嘴的上游是一個(gè)大空間。這是采用該安裝方式時(shí)，滯止容器設(shè)計(jì)的最低要求。在噴嘴軸線方向距入口平面10倍噴嘴喉徑的位置測(cè)壓；在滯止容器上均勻取點(diǎn)測(cè)溫。這種安裝方式可減少變送器的數(shù)量和一些不確定因素的影響。根據(jù)安裝的具體要求，滯止容器容積需要制作得較大，且需要設(shè)計(jì)一套實(shí)現(xiàn)該安裝方式的噴嘴安裝機(jī)構(gòu)。

圖3 噴嘴大空間安裝方式

4 噴嘴工作原理

噴嘴的工作特性是：當(dāng)噴嘴工作的背壓比低于最大允許背壓比（滿(mǎn)足噴嘴進(jìn)入臨界流狀態(tài)，出口壓力與入口壓力比值的最大值）以后，流過(guò)噴嘴的氣流進(jìn)入臨界流狀態(tài)（完全氣體的一維、等熵流動(dòng)）。通過(guò)噴嘴的質(zhì)量流量只與其入口的流體壓力和溫度有關(guān)，而與其出口壓力的波動(dòng)無(wú)關(guān)。其流量運(yùn)算公式如下：

式中：

qm—質(zhì)量流量，kg/s；

Ant—噴嘴喉部面積，

Cd—流出系數(shù)；

C*—臨界流函數(shù)；

Z0—?dú)怏w在噴嘴入口滯止條件下的壓縮系數(shù);

P0—噴嘴入口處的絕對(duì)滯止壓力，pa;

T0—噴嘴入口處的絕對(duì)滯止溫度，K;

圖4 臨界流文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)圖

5 噴嘴選型設(shè)計(jì)

裝置中的噴嘴選型設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)裝置的被檢流量計(jì)類(lèi)型，確定被校流量計(jì)的最大質(zhì)量流量和最小質(zhì)量流量，用以確定裝置的流量范圍。

根椐裝置的最小流量和文丘里噴嘴前的滯止壓力、滯止溫度以及氣體性質(zhì)，按質(zhì)量流量公式，設(shè)計(jì)噴嘴的喉徑。

為了提裝置的計(jì)量檢定性能，通常引入流量分辨率的概念，在被檢流量計(jì)的最大流量和最小流量之間的任意流量點(diǎn)，均可以用這n 個(gè)文丘里噴嘴組合得到，其分辨率為 qmin。

文丘里噴嘴流量系列是等比數(shù)列，公比為2，n項(xiàng)之和等于 qmax，所以

實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮其他因素，如我國(guó)原始標(biāo)準(zhǔn)（檢定或校準(zhǔn)文丘里噴嘴用）的能力等。

噴嘴的設(shè)計(jì)需要大量的計(jì)算。如果通過(guò)人工手動(dòng)計(jì)算易帶來(lái)人為誤差。利用Excel軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在軟件中編入計(jì)算公式，利用公式可以大大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和效率。

在噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮噴嘴所允許的最大背壓比，通常情況下，背壓比數(shù)值越大，噴嘴系統(tǒng)中壓損越小。在一定的范圍內(nèi)噴嘴的背壓比越大越好。越大越經(jīng)濟(jì)，越節(jié)能。

6 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)榕R界流噴嘴的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此臨界流噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是目前我們被廣泛采用的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置之一。隨著許多與計(jì)量相關(guān)技術(shù)水平的提高與應(yīng)用，優(yōu)化噴嘴的選型設(shè)計(jì)為建設(shè)高起點(diǎn)、自動(dòng)化、科學(xué)可靠的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)也必將使計(jì)量工作得到長(zhǎng)足、高效的發(fā)展。