超大口径音速喷嘴法气体流量标准装置

周 轶 赵作广

(江苏省质量技术监督气体流量计量检测中心，镇江 212009)

0 引言

气体流量仪表是国家重点管理的强检计量器具，也是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段，是能源管理和经济核算不可缺少的工具。随着我国“西气东输”、“俄气南下”和“液化天然气上岸”等多条跨地区、跨国界的天然气输气干线的实施和建设，城市燃气进入高速发展期，越来越多的超大口径气体流量仪表应用到天然气输送管道上。为保证贸易公平，确保超大口径气体流量仪表的量值统一和准确，江苏省气体流量中心依据我国气体流量仪表量值溯源现状，开发研制了检测最大流量20000m3/h，最大口径600mm的高准确度撬装管道式音速喷嘴法气体流量标准装置。

1 工作原理

超大口径音速喷嘴法气体流量标准装置是负压标准表法气体流量标准装置的一种。标准表采用结构简单、性能稳定、准确度高、无可动部件、维护方便的音速喷嘴[1]。装置平面布置如图1所示。

1.消音器；2.前直管段；3.被检表；4.后直管段；5.U型汇管；6.计量喷嘴撬装；7.喷嘴后汇管；8.建设备层动力系统

装置工作时，在动力系统作用下，空气流过消音器、前直管段、被检表、后直管段、U型汇管、计量喷嘴撬装、喷嘴后汇管和背压容器，最后经真空泵排出。根据检定流量值的大小，通过手动或自动控制阀门，选择不同的喷嘴组合，调定所需的检定流量点。通过动力系统可保证进入装置的气体流动相对稳定并在喷嘴喉部形成临界流状态。在稳定的工况下，流经音速喷嘴和被检表的气体质量流量是相同的。在检定过程中，工控机系统采集和处理喷嘴前的气流压力和温度，计算出标准的气体平均质量流量或累积流量，并按有关的检定规程，将它与采集到的被检表的指示值进行比较和计算，即可得到被检表在该流量点的基本误差和重复性误差，从而实现对气体流量仪表的检定。

2 数学模型

该装置对按理想气体处理时和考虑湿度影响时分别建立了数学模型。这里仅给出了考虑湿度时音速喷嘴流量的数学模型。数学模型中：下标0表示喷嘴滞止容器处的相关参数；下标1表示被检表处的相关参数；下标n表示标准状况相关参数；下标a表示环境空气的相关参数；下标m表示质量流量；下标V表示体积流量；下标smax表示饱和水蒸汽。

2.1 音速喷嘴临界质量流量[2]

(1)

式中：qm0为通过音速喷嘴的临界质量流量；A*为音速喷嘴喉径部的截面积；C为音速喷嘴的流出系数；C*为临界流函数(实际空气，一维等熵流)；p0为音速喷嘴滞止压力；ρ0为音速喷嘴滞止密度。

2.2 临界流函数[3]

(2)

式中：κ为等熵指数；Z0为滞止状态下的气体压缩系数。

式中：cp为气体的定压比热；cV为气体的定容比热；ρg0为滞止状态下空气的密度；cpg为空气的定压比热；φ0为空气相对湿度；ρs0为水蒸汽的滞止密度；cps为水蒸汽的定压比热；cVg为空气的定容比热；cVs为水蒸汽的定容比热。

定压比热和定容比热由以下两式确定(式中诸系数a0,a1,a2,a3见表1)；

cV=cp-RV

式中：T为热力学温度；M为定压摩尔质量；RV为气体常数。

表1 定压比热、定容比热公式系数

2.3 密度计算

2.4 相对湿度计算

式中:φa为空气相对湿度；Ta为温度空气；pa为空气压力。

2.5 湿度对被检流量计的影响

通过被检表的质量流量：qm1=qm0

通过被检表的工况体积流量：qV1=qm0/ρ1

通过被检表的标况体积流量：qVn=qm0/ρn

式中:ρa smax为饱和水蒸汽密度；ρn=1.2046(kg/m3)。

3 装置组成

装置组成主要包括：标准器组，温度、压力及湿度测量，数据采集及控制系统，管路系统，动力系统等。

3.1 标准器组

标准器组包括1，2，4，8，16，32，64，128，256，512，1024，1250，1500m3/h等共31只音速喷嘴；装置只能安装29只音速喷嘴。2个1500m3/h喷嘴外形尺寸与1250m3/h喷嘴外形尺寸一致，扩展流量时可用这2个1500m3/h的喷嘴代替2个1250m3/h的喷嘴。

3.2 温度、压力及湿度测量

温度测量采用Pt100A级铂电阻，0～50℃，最大允许误差的绝对值≤0.1℃，分度值不大于0.01℃；压力测量采用0.05级，0～104kPa绝压变送器；湿度测量采用数显湿度计，测量范围(10%～99%)RH，允许误差±2%RH。

3.3 数据采集及控制系统

该系统采用两级分层测控系统。PLC工作稳定可靠，数据采集模块化、运算速度快、接口带光电隔离、抗干扰能力强，作为下位机执行I/O数据采集、阀门控制以及向检定系统提供实时阀门状态信息。PC作为上位机，采用组态软件编程，满足系统的控制与管理功能要求，实现不同类型与流量范围仪表的自动检测控制，并完成数据处理、保存、显示以及报表生成与打印。

3.4 管路系统

管路系统包括被检表测量管、U型汇集管、标准表安装管、真空泵抽排气管道、台位装夹气动阀门管路等。其中被检表测量管有DN200、DN250、DN300、DN350、DN400、DN500、DN600共7个检测台位，DN100、DN150与DN200共用一个检测台位，前直管段可互相替换；前直管段采用20D，后直管段采用10D；标准表安装管采用管道式安装，管道设计制作遵从ISO标准[4]；被检表测量管路和标准表管路的U型汇集管采用DN600。

3.5 动力系统

动力系统包括：水环式真空泵组、变频器、气液分离器、开关阀门组、真空缓冲罐等。该系统及其配套设备均放置于设备层，与装置隔离降低噪音，通过计算机远程控制，即在软件界面上点击相应的泵阀就可以实现开关动作。

4 主要技术特点

4.1 计量性能

装置可检测最大流量不低于20000m3/h；最大口径为600mm；量程比为1:20000；不确定度优于0.30%(k=2)；能检定和传递1.0级气体流量仪表。

4.2 标准表

装置采用的圆环形音速喷嘴由国外超精密车床加工生产，经评估不确定度优于0.15%(k=2)。

4.3 标准表安装方式[5]

装置采用管道式，每个管道上都有压力测量仪表，属国内首套采用管道式安装音速喷嘴的装置。音速喷嘴安装在圆形直管道中，并在上游方向配备2段整流管，第一段整流管确保音速喷嘴前方达到温度均匀，第二段整流管确保对介质的整流效果。

4.4 标准表撬装式组合

该装置共用8个计量撬装组，其中1#计量撬有1，2，4，8，16，32，64，128m3/h等8个音速喷嘴组成，2#计量撬组有256，512，1024m3/h等3个音速喷嘴组成，3#～7#计量撬组分别各有3个1024m3/h标准喷嘴组成，8#计量撬组装有1024，1250，1250m3/h等3个音速喷嘴组成。

4.5 装置的可扩展性

该装置考虑单个喷嘴的可扩展性，向下可扩展至0.1m3/h，向上可扩至1500m3/h。整体预留标准表接口，扩展后两套不同类型标准表系统共用一套被检表测量管路，共用一套数据采集、传输、处理和控制系统，检测流量可达30000m3/h。包括三个相对独立的系统：1)音速喷嘴法对被检表系统；2)音速喷嘴法对标准表系统；3)标准表法对被检表系统。通过检定系统可进行整套装置计量性能的自比对工作和正负压下的密封性检验。

4.6 安全稳定性

1)硬件措施：装置在20D前直管段前配有圆筒形消音器，夹层配有吸音材料，以达到降噪效果；10D后直管段后配有防撞装置，以防止气体流量仪表和空气颗粒进入标准表安装管道损坏喷嘴。

2)软件措施：检测人员在检定室可以监控地下室设备运行及流量仪表现场检测情况(可监控图像与声音)；客户可在中心数据及外地客户端通过监控看到检测现场与检测数据的画面；若进行了误操作，电脑能够报警，检定装置不能运行。

4.7 排气回流

气体经真空泵排出后，沿管路系统至气液分离器，再经管路到达由砖砌宽1.5m，高3m的通道内，由地下设备层至一层装置实验室，结构由两面电动百叶窗组成，可对外排空；也可排到实验室内，以起到温度平衡的作用。

4.8 抗干扰措施

分层设置动力系统和测量系统；动力系统供电采用专线与测量控制系统电源分离，输入端加入专用滤波器，动力电器电源单独接地；模拟测量信号均采用极值滤波和算术平均值结合的滤波方式，进一步降低电磁干扰。

5 结束语

超大口径音速喷嘴法气体流量标准装置的建立，填补了我国在大口径大流量气体流量仪表校准和检测领域的空白，将为我国节能减排、能源计量、气体大流量仪表型式评价等工作提供强有力的检测手段和技术支撑，具有重要的社会意义和推广价值。

[1] 郭爱华.标准表法气体流量标准装置[J].自动化仪表,2009(8):50-54

[2] 王池,王自和,苏彦勋，等.JJG 620—1994 速度式流量计检定规程[S]

[3] 王自和,范砧.气体流量标准装置(修订版)[M].北京:中国计量出版社,2005：25-26

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

[5] 苏彦勋,梁国伟,盛健.流量计量与测试[M].北京:中国计量出版社,2007