国家蒸汽流量计产品质检中心气体流量标准装置的研究

雷 阳

（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2 国家蒸汽流量计产品质检中心，福建 福州 350003）

国家蒸汽流量计产品质检中心气体流量标准装置的研究

雷 阳1,2

（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2 国家蒸汽流量计产品质检中心，福建 福州 350003）

国家蒸汽流量计产品质检中心的建立对深入开展以空气、蒸汽等为介质的气体流量计量具有重要的意义。文中从装置结构、技术指标和技术特色等几个方面，详细介绍了国家蒸汽流量计产品质检中心的蒸汽流量实流标准装置、15000L钟罩式气体流量标准装置和负压法音速喷嘴法气体流量标准装置。

蒸汽；钟罩；音速喷嘴；气体流量

1 引言

随着科技进步和经济发展，气体能源输送、供气供暖工程和工业废气排放等大型管道的使用日益增多，对大流量、大口径气体流量仪表的需求量逐年增大。同时，很多企业对以蒸汽等为介质的气体流量计进行实流检测的要求也愈发强烈[1-3]。无论大流量、大口径还是实流检测，对计量部门都提出了新的挑战。不仅要提升气体流量计量技术水平，建设流量范围更宽、口径范围更广、准确度等级更高、种类各全面的标准装置，还必须配备与其工作任务相适应的计量检定人员和计量管理人员以及能保证工作正常进行的工作环境等，从而更好地开展气体流量计的量值传递、型式评价和相关检测技术的研究。

面对气体流量计量检测需求带来的挑战，国家蒸汽流量计产品质检中心近年来投入了大量的人力、物力进行探索研究，已建成蒸汽流量实流标准装置、15000L钟罩式气体流量标准装置和负压法音速喷嘴法气体流量标准装置。目前均已通过中国计量科学研究院的检定、校准。

2 蒸汽流量实流标准装置

2.1 装置结构

蒸汽流量实流标准装置以过热蒸汽为介质，采用质量法和标准表法相结合的技术手段，实现对蒸汽流量仪表的实流检定。装置主要由汽源系统、调压稳压系统、检定管路系统、冷凝称重系统、冷却循环系统和自动控制系统组成，并配备高精度的温度变送器和压力变送器。

蒸汽流量实流标准装置的结构如图1所示。汽源为电厂发电后的蒸汽，最大流量可达30t/h，满足检定的要求。汽源首先经过调压稳压系统，然后进入稳压罐或直接进入检定管路，再通过标准流量计和被检流量计。标准表法直接将蒸汽排空，比较相同状态下通过标准流量计和被检流量计的蒸汽流量。质量法将一定时间内通过被检流量计的蒸汽送入换热器冷凝，对冷凝水进行称重计量，称重获得的冷凝水质量与通过被检流量计的蒸汽质量进行比较，完成对蒸汽流量计的检定。

该装置可开展DN300以下的涡街、涡轮、超声波、弯管等各种蒸汽流量计的检定、校准和检测工作，为提高蒸汽流量计量技术提供了试验平台。

2.2 主要技术指标

（1）检定介质：水蒸气；

（2）测量范围：（0.01～30）t/h；

（3）测量口径：DN15～DN300十条管线；

（4）流量稳定性：

质量法0.2%；

标准表法0.3%；

（5）扩展不确定度：

2.3 技术特色

蒸汽流量实流标准装置采用质量法和标准表法相结合的技术方案，客户可根据需要灵活选择检定和校准方法，提高检定效率。当准确度要求较高时可选择质量法，当满足准确度要求并且考虑成本因素时可选择标准表法。此外，还可以采用质量法对标准表进行自检。

蒸汽介质的状态可以得到有效调控。蒸汽汽源首先进入调压稳压系统和稳压罐，使得蒸汽流量实流标准装置具备克服企业蒸汽管网上的负荷变化对气源扰动的能力。检定管路的前端安装气动压力调节阀，后端安装气动流量调节阀，能够相互配合精确调节管路中的蒸汽温度、压力，也便于今后开展不同热力学参数对蒸汽流量计性能影响的相关研究。

3 钟罩式气体流量标准装置

3.1 装置结构

钟罩式气体流量标准置以空气为检定介质，并配有稳定的恒压源[4]。国家蒸汽流量计产品质检中心的15000L钟罩式气体流量标准装置主要由钟罩、液槽、补偿机构、检定管路系统、风机、自动控制系统等组成，装置结构如图2所示。首先启动风机，空气通过水箱进入钟罩，使得钟罩提升。当钟罩上升到限位高度时，风机和阀门自动关闭。待钟罩内压力、温度稳定后，打开检定管路阀门，钟罩内气体通过检定管路流经被检流量计排出，期间钟罩以稳定速度下降。检定结束后，通过光电编码器读取钟罩在检定时间内下降的位移，根据钟罩横截面积计算排出气体的体积，除以检定时间即得检定时间内的气体流量。

3.2 主要技术指标

（1）检定介质：空气；

（2）最大流量：900m3/h；

（3）钟罩内压力：5000Pa；

（4）压力波动：15Pa；

（5）装置检定段的标准容积值：

V=15026L；

（6）测量口径：

DN25～DN200六条管线；

DN50～DN200三条立式管线；

3.3 技术特色

国家蒸汽流量计产品质检中心的15000L钟罩式气体流量标准装置全部采用304不锈钢材料制作，钟罩直径达2.65m，钟罩提升后总高度达9m。由于加工成型后长途运输困难，且容易变形，所以只能由生产厂家运送不锈钢板原材料至实验车间内加工。钟罩的焊接、卷轧、抛光直至加工成型全部在实验车间内完成，工作量大，加工难度高。

由于钟罩容积较大，在补偿、导向的设计上采取了多立柱、多导向、多补偿的新型结构。将四个补偿轮布置在四个立柱外侧，既避免了钟罩高度过高，也增强了钟罩上升、下降的平稳性。为了进一步降低钟罩下降过程中的压力波动，还专门设计了钟罩的导向机构。立柱上端经平面轴承和立柱径向定位机构装配在上横梁上，立柱下端由调整紧定锥体及其定位部支撑。通过调整立柱上、下端中心距使立柱与钟罩滑座得到最佳滑动配合状态，机械摩擦较小，且摩擦均匀一致。

在检定过程中应尽量保持钟罩内各处温度以及整个实验室温度一致，而风机送风则会使钟罩内空气的温度发生改变。为此，一方面在钟罩的进气管路上增加恒温措施，通过恒温换热水箱，使进入钟罩内的气体温度得到有效控制，另一方面，在实验室内配备恒温恒湿空调，保证钟罩内气体温度与实验室温度基本一致。

图2 钟罩式气体流量标准装置结构图

此外，15000L钟罩式气体流量标准装置的DN200检定管路与负压法音速喷嘴法气体流量标准装置联通，可实现钟罩对喷嘴的直接校验、比对。

4 负压法音速喷嘴法气体流量标准装置

4.1 装置结构

负压法音速喷嘴法气体流量标准装置由整流器、检定管路、音速喷嘴、滞止容器、出口容器和真空泵等构成，如图3所示。空气在通过音速喷嘴时，若音速喷嘴的上、下游压力比达到某一定值，气体在喷嘴处形成临界流，质量流量达最大值。此时，气体的质量流量只与音速喷嘴入口处的温度和压力有关，该温度和压力也称为滞止温度和滞止压力[5]。

通过自动控制系统采集滞止温度和滞止压力，可计算出一定时间内通过音速喷嘴的气体质量流量。将该流量作为标准流量，与通过被检流量计的气体质量流量比较，从而实现对气体流量计的检定和校准。

负压法音速喷嘴法气体流量标准装置安装音速喷嘴26个，其中最小的音速喷嘴设计流量0.5m3/h，最大的音速喷嘴设计流量1024m3/h。根据检定流量的大小，控制系统自动选择阀门进行不同的喷嘴组合。装置采用4台罗茨真空泵与1台水环真空泵组合，并为真空泵配备冷却循环水池。

4.2 主要技术指标

（1）检定介质：空气；

（2）流量范围：（0.5～16000）m3/h；

（3）测量口径：DN25～DN500七条管线；

（5）装置流量稳定性：0.1%。

4.3 技术特色

装置喷嘴采用入口上游大空间安装方式（如图4），即距离喷嘴入口5倍喉径范围内无容器壁。在滞止容器壁上均匀布置温度和压力测量点。针对该安装方式，专门设计了一套特制法兰，喷嘴与法兰的接触部位设计由柔性极好的橡胶充填，提高了减震降噪性能。

图3 负压法音速喷嘴法气体流量标准装置结构图

图4 喷嘴大空间安装示意图

整套负压法音速喷嘴法气体流量标准装置设置在一封闭实验室内。空气通过检定管路和被检流量计进入滞止容器后，流经音速喷嘴组、出口容器、缓冲罐、真空泵等最后排放到实验室内，然后进入地下气体回收冷却通道，重新进入装置的进气口，循环使用，避免在大流量时吸入实验室以外不同温度气体，使气体温度变化太大，影响检测效果。

然而，当流量较大时，真空泵的总功率较大，运行时仍会产生大量的热，会随着检定工作时间加长而积累增加，造成循环使用的空气温度越来越高。并且，空气以音速流过喷嘴的喉部，喷嘴及滞止容器等部件会产生强烈的振动及振动噪音，给装置的稳定性带来很大影响。为此专门设计了具有温度调节功能的减振型滞止容器。新型滞止容器具有内外双层结构的容器壁，两层容器壁中通入循环冷却水，形成水环夹层容器壁。水环夹层容器壁的进、出水管与可控温度的贮水容器连通，通过循环驱动泵形成水循环系统。同时，滞止容器采用多段结构设计，水环夹层采用多通道结构设计，进一步提高温控效果和效率。

5 总结

文中从装置结构、技术指标和技术特色等几个方面，详细介绍了国家蒸汽流量计产品质检中心的蒸汽流量实流标准装置、15000L钟罩式气体流量标准装置和负压法音速喷嘴法气体流量标准装置。

依托福建省计量科学研究院筹建国家蒸汽流量计产品质检中心，进一步提升气体流量计量技术水平，集中优势资源攻克气体流量计量中存在的技术难题，使国家蒸汽流量计产品质检中心高端气体流量检测设备成为全国共享的检测资源，不仅能为全国的气体流量计用户、生产企业提供检定校准和新产品研发试验服务，还可作为全国气体流量专业技术人员交流合作的平台，联合开展检测手段和检定方法的研究，共同促进气体流量计量水平的提高。

[1]郑灿亭.蒸汽计量存在的问题及对策[J].仪器仪表标准化与计量,2006,1: 31-33.

[2]李鹏超.关于蒸汽流量计量的特点及提高计量准确性的对策[J].工业仪表与自动化装置,2011,4:84-86.

[3]毕英,许传军,许文达,等.蒸汽流量计量现状及存在问题[J].工业计量,2015,S1: 5-7.

[4]吴博，黄咏梅，毛谦敏,等. 钟罩式气体流量标准装置自动检定系统的设计与实现[J].中国计量学院学报,2006,17(4): 268-271.

[5]王强.负压法音速喷嘴气体流量标准装置的使用[J].上海计量测试,2013,6:40-41.

Research on Gas Flow Standard Equipments of National Testing Center for Steam Flowmeter Products

LEI Yang1,2
(1 Fujian Metrology Institute,Fuzhou 350003,China)
(2. National Testing Center for Steam Flowmeter Products,Fuzhou,350003,China)

The establishment of National Testing Center for Steam Flowmeter Products has a great signi ficance to the gas flow measurement with air,steam and so on. The steam flow standard equipment,the 15000L standard bell prover of gas flow and the sonic nozzle gas flow standard equipment based on negative pressure method were introduced in detail from the aspects of the equipments structure,the technical speci fications and the technical characteristics.

Gas flow; Steam; Bell prover; Sonic nozzle

2017-01-24

雷 阳，男，福建省计量科学研究院，工程师,博士