標準表法氣體流量標準裝置
發布時間：2017-11-22
引言
氣體流量標準裝置主要用于確定氣體流量計的計量性能。目前常用的氣體流量標準裝置主要有鐘罩式、活塞式、皂膜式、p.V.T. t法、m. t法和標準表法氣體流量標準裝置。其中,標準表法氣體流量標準裝置(以下簡稱“標準裝置”)采用經上級氣體流量標準裝置量值傳遞、具有優良重復性及穩定性的流量計作為標準表,在同一時間間隔內使氣體連續通過標準表和被檢氣體流量計。通過比較兩者的輸出值,從而確定被檢氣體流量計的計量性能[1]。
上世紀80年代,標準裝置在國外已經廣泛使用;在國內,雖然歷史較短,但是隨著相應技術法規和量值溯源系統的完善,發展非常迅速。該類裝置以其高效率、寬范圍、較高的準確度等特點,已經成為大流量高低壓氣體流量計檢定/校準的主流裝置。
1標準表法氣體流量標準裝置的分類
標準裝置按照氣源系統類型、氣流回路系統類型和標準表類型三個層次,可進行如下分類。
按照氣源系統類型,標準裝置分為正壓法和負壓法兩大類。氣體流量計的性能在不同的壓力下會有差異,其變化與壓力高低和流量類型有關。正壓法標準裝置較高而可變的氣源壓力可以實現氣體流量計在高壓狀態下的檢定/校準;負壓法標準裝置能夠滿足常壓使用的氣體流量計的檢定/校準。正壓法氣體流量標準裝置采用空氣壓縮機和穩壓容器或其他方法將高壓氣體充入到試驗管路,高壓氣體在試驗管路內循環或進入下游管路;負壓法以大氣為氣源,采用風機或真空泵造成負壓,氣體由試驗管路吸入,經過被檢氣體流量計和標準表,排入大氣。負壓法標準裝置氣源穩定,系統比較簡單,投資少、能耗低,是目前國內標準表法裝置最常采用的方法之一。
按照氣流回路系統,正壓法標準裝置可分為閉環式和開環式兩種基本類型。閉環式標準裝置中,試驗管路呈閉環形式,試驗氣體在管路內循環;開環式也稱作在線式,目前依托天然氣輸送站建立的標準裝置一般均采用這種形式,天然氣經過標準裝置后,進入下游管路。按照標準表的類型,常用作裝置標準表的氣體流量計包括:臨界流流量計、速度式流量計、容積式流量計等。有時在同一套裝置中采用上述兩種或兩種以上類型的氣體流量計,稱之為組合式。
2不同類型標準表的標準裝置
下文均以負壓法標準裝置為例,對不同類型標準表的標準裝置進行介紹。
2. 1臨界流流量計氣體流量標準裝置
臨界流流量計主要由臨界流文丘里噴嘴或臨界流噴嘴及其配套的測溫測壓儀表組成。由于臨界流噴嘴的臨界壓力比低、能耗較大,所以臨界流文丘里噴嘴的應用更加廣泛。
2.1.1硬件組成
標準表標準裝置主要由被檢流量計系統、標準表系統、管路系統、氣源系統和控制系統等部分組成[2]。其典型標準裝置結構如圖1所示。
被檢流量計系統包括被檢流量計流量信號的獲取以及被檢流量計處的溫度、壓力的測量。
標準表系統主要由一套臨界流文丘里噴嘴(以下簡稱噴嘴)組件組成。常用的安裝方式是在一個大的滯止容器側部嵌入若干只噴嘴,噴嘴喉徑大小不一,組成了噴嘴系列;在滯止容器處進行滯止溫度和滯止壓力的測量。
管路系統包括氣源管路、標準表管路和被檢流量計管路。氣源管路與標準表管路銜接處采用柔性接頭連接,以減小氣源部分機械振動的傳入[3]。根據被測流量大小,開啟不同噴嘴的相連閥門,進行定點測量;全部噴嘴的相連閥門打開時可得到最大流量。每路噴嘴安裝兩個串聯的開關閥;兩個閥門之間設置壓力測量點,通過檢測壓力值,實現對標準表管路的檢漏。被檢流量計管路必須配置足夠長的前后直管段,為了調整氣體流場、減少流阻和降低噪聲,管道入口常采用喇叭形入口。
氣源系統中主要采用真空泵(氣環式或水環式)作為裝置的氣源動力。氣動控制部分包括空壓機、氣動閥門、氣動夾表器等。
標準裝置的計算機控制系統主要完成所有的現場設備控制功能和數據采集、數據處理以及表單輸出功能。
2.1.2工作原理
真空泵產生負壓,空氣由被檢流量計管路入口吸入,當獲得穩定的噴嘴臨界壓力比并穩定后,測量正式開始。在相同時間內,氣體依次經過被檢流量計管路和所選定的噴嘴管路,通過測量噴嘴的滯止溫度和滯止壓力,可以得到通過噴嘴的質量流量。根據流體連續性原理,該質量流量即為通過被檢流量計的質量流量;在被檢流量計處進行溫度、壓力測量,進而得到工況條件下通過被檢流量計的累積體積流量。將該值與被檢流量計輸出值進行比較計算,完成對被檢流量計的檢定/校準。實際條件下,通過臨界流文丘里噴嘴的質量流量為:
式中: qm0為質量流量, kg/s;Ant為噴嘴喉部的橫截面積,m2;Cd′為流出系數;C*為實際氣體臨界流函數;p0為噴嘴入口處氣體的絕對滯止壓力,Pa;T0為噴嘴入口處氣體的滯止溫度,K;R為通用氣體常數, R=8.314 41 J?mol-1K-1;M為空氣的物質的量,M=0.028 964 kg?mo;lkφ為濕度修正系數。
在國家標準GB/T 21188《用臨界流文丘里噴嘴測量氣體流量》中給出了干空氣的C*算法。對于工作介質為未經過干燥處理的濕空氣,需要進行濕度修正。目前,國內外使用的濕度修正方法很多,為了消除因使用不同修正方法可能帶來標準裝置間的系統差,推薦使用GB/T 21188中的濕度修正公式計算kφ。
實際條件下,通過被檢流量計的質量流量為:
qm1=qm0(2)
工況條件下,通過被檢流量計的空氣密度為:
式中:ρn、pn、Tn、Zn分別為標準狀況下空氣的密度、絕對壓力、熱力學溫度和壓縮系數,ρn=1. 204 8 kg/m3、pn=101 325 Pa、Tn=293. 15K、Zn=1;ρ1、P1、T1、Z1分別為工作狀況下被檢流量計處空氣的密度、絕對壓力、熱力學溫度和壓縮系數,單位分別為kg/m3、Pa、K和無量綱,常壓下Z1=1。
工況條件下,測量時間內通過被檢流量計的累積體積流量為:
式中:t為測量時間,s。
從而得到被檢流量計的示值誤差為:
式中:V1為被檢流量計輸出的累積體積流量,m3/h。
2.1.3主要特點
由于臨界流流量計具有準確度高、性能穩定、體積小、維護方便、檢定周期長等特點。世界上許多著名的流量測量技術機構普遍采用其作為氣體流量傳遞標準。德國國家物理技術研究院、美國的西南天然氣研究院、英國國家工程試驗室等均建有臨界流流量計氣體流量標準裝置[4]。臨界流流量計在我國各級流量實驗室中也有廣泛使用,通過噴嘴的組合,標準裝置可以得到很寬的流量范圍,國內裝置的擴展不確定度可達0.25% (包含因子k=2)。
該類裝置能耗較大,以該類標準裝置中能耗較低的負壓法裝置為例,最大流量為4 000Nm3/h,其總功耗為100 kW,而渦輪流量計標準裝置的總功耗不超過40 kW。
2. 2速度式流量計氣體流量標準裝置
目前采用的速度式流量計標準表主要有渦輪流量計和超聲流量計等。其中渦輪流量計以其準確度高,重復性好,可以輸出高頻脈沖信號、信號分辨率強、抗干擾性好、范圍度寬、結構緊湊等特點[5],得到了較廣泛的使用。
2.2.1標準裝置的組成
渦輪流量計氣體流量標準裝置的典型標準裝置結構如圖2所示。
渦輪流量計可單臺使用,也可多臺并聯組合使用,實現流量范圍的擴展。渦輪流量計可以定點使用,即只使用幾個固定的流量點;或非定點使用,即使用流量范圍內所有流量點[6]。
裝置多采用離心式風機做為氣源動力,通過調節變頻調速器的頻率變化,控制風機轉速,實現試驗氣體流量的設定。
2.2.2工作原理
風機產生負壓,空氣由被檢流量計管路入口吸入,在相同時間內,氣體連續經過被檢流量計管路和所選定標準表管路,將標準渦輪流量計測量的空氣體積換算到被檢流量計工況條件下的體積量,與被檢流量計輸出值進行比較,實現對被檢流量計的檢定/校準。流過標準渦輪流量計的標準狀況體積為:
式中:Vs為流過標準流量計的標準狀況體積,Nm3;N為標準表的脈沖數,無量綱;k為標準表的儀表系數,m-3;pn、Tn、Zn分別為標準狀況下空氣的絕對壓力、熱力學溫度和壓縮系數,且pn=101 325Pa、Tn=293.15K、Zn=1;ps、Ts、Zs分別為工況條件下標準表處空氣的絕對壓力、熱力學溫度和壓縮系數,單位分別為Pa、K、無量綱,常壓下Zs=1。
流過被檢流量計的標準狀況體積為:
式中:Vt為流過被檢流量計的標準狀況體積,Nm3;Vm為工況條件下流過被檢流量計的體積,m3;pm、Tm、Zm分別為工況條件下標準表處空氣的絕對壓力、熱力學溫度和壓縮系數,單位分別為Pa、K、無量綱,常壓下Zm=1。
由質量連續性原理,得到:
Vsρn=Vtρn(8)
式中:ρn為標準狀況下空氣的密度。
則工況條件下,流過被檢流量計的體積為:
從而得到被檢流量計的示值誤差δ為:
式中:V1為被檢流量計輸出的工況體積,m3。
2.2.3裝置的主要特點
速度式流量計氣體標準裝置結構簡單、操作方便、工作效率高,并且投資低、能耗也較低。
標準渦輪流量計工作時需要渦輪高速旋轉,難以長期保持校準特性,這就需要經常校準或在線校準,以維持其高準確度[7]。
由于小口徑(DN50以下)渦輪流量計的流量特性受流體物理性質影響較大,所以小口徑的渦輪流量計性能難以提高,難以達到標準表的要求,因此,該類裝置適用于大中流量的測量。
2. 3容積式流量計氣體流量標準裝置
容積式流量計是準確度較高的一類流量儀表,并且具有優良的重復性等優點。常用作裝置標準表的有濕式氣體流量計和腰輪流量計。濕式氣體流量計準確度可達±0.2%,量程比為20∶1,性能穩定。腰輪流量計不受管道內流場畸變的影響,無需配置長的直管段。但該類標準表結構復雜、比較笨重,尤其是較大口徑的該類裝置體積龐大,在腰輪流量計大流量時還會產生較大噪聲,甚至振動。因此,采用該類標準表的裝置適用于中小氣體流量的測量。
該類裝置的組成、工作原理等與速度式標準表裝置類似,不再贅述。
2. 4組合式標準表法氣體流量標準裝置
以臨界流流量計、速度式流量計和容積式流量計為標準表的標準裝置,在流量范圍、裝置能耗等方面各有特色。三類裝置的性能比較如表1所示。
為了揚長避短,充分發揮各類流量儀表的特點,采用兩種或兩種以上不同類型的流量計作為標準表。該類標準裝置共用一套被檢流量計管路和一套控制系統。標準表管路按各類標準表要求獨立設置呈并聯形式,具有各自獨立的氣源系統。檢測過程中根據檢測流量點選擇不同類型的標準表完成檢測。
通常選用臨界流流量計與速度式流量計組合以及容積式流量計與速度式流量計組合?？紤]既要降低小流量的檢測范圍、又要節約運行費用這些因素,在小流量段采用臨界流流量計作為標準表;在大流量段采用標準渦輪流量計拓展量程是常見的一種組合方式。有些裝置也設計為噴嘴系統,能夠校準標準渦輪流量計,實現了標準渦輪流量計的在線校準。
3不同氣流回路系統的標準裝置
由于負壓法標準裝置基本上采用空氣為試驗介質,試驗中空氣直接排入大氣,所以氣流回路系統比較簡單。對于正壓法標準裝置,試驗介質為壓縮空氣或工況實流介質(如:天然氣、氮氣等),考慮到試驗氣體壓力的保持及試驗氣體排放的要求,其氣流回路系統有閉環式和開環式兩種類型。
3. 1閉環式標準表法氣體流量標準裝置
該類標準裝置常選用速度式流量計或容積式流量計作為標準表。采用壓縮空氣作為試驗介質,不存在防爆和試驗氣體排放問題,流量、壓力調節更容易實現。其典型結構如圖3所示。
空氣壓縮機、高壓容器和高壓鼓風機作為高壓氣源系統,將高壓氣體施加到試驗管路中,高壓鼓風機在預定的壓力下設置流量。由于氣體壓力升高,管路內氣體溫度上升,利用熱交換系統將管路中氣體溫度冷卻并穩定控制[8],氣體連續通過被檢流量計和標準表系統,實現對被檢流量計的檢定/校準。試驗管路呈閉環形式。閉環式高壓氣體標準裝置是高壓裝置中相對投資低、建設容易、不受制于外部影響的裝置。由于裝置采用高壓氣源系統和熱交換系統,裝置的能耗明顯高于負壓法裝置。
3. 2開環式標準表法氣體流量標準裝置
由于天然氣的計量成為氣體流量計應用于高壓情況的一個重要方面,所以開環式高壓標準表法氣體流量標準裝置一般都是依托一個天然氣輸送站,成為天然氣輸送站的一個旁路系統。對于天然氣輸送站的選擇,應確保天然氣的壓力范圍和流量范圍能夠滿足標準裝置的工作條件。開環式高壓標準表法氣體流量標準裝置結構如圖4所示。
裝置主要由調壓系統、標準表系統、被檢流量計系統、量值傳遞系統和分流/旁路系統組成。天然氣由輸送管線進入,經過過濾分離器、壓力調節器,檢測用氣經標準表管路和被檢流量計管路后回至天然氣輸送管線,完成對被檢流量計的檢測。過余氣量經分流調節閥直接進入流出管路。標準表系統一般采用渦輪流量計為標準表。在檢測間歇,天然氣不經過測試管道,可直接經旁路調節閥送回至輸送管線。
由于是高壓天然氣標準裝置,對于那些應用于天然氣的流量儀表,實現了實流介質檢定和校準。該類裝置依托于天然氣輸送管線,不需要獨立的氣源系統,裝置的流量調節受輸送管線上下游壓力的影響,試驗氣體的排放也受制于下游用戶。
該類裝置一般都建有原級標準裝置、次級標準裝置和工作標準裝置等完善的量值傳遞體系,因此,投資巨大。
4結束語
標準表法氣體流量標準裝置是目前國內外普遍采用的次級流量標準裝置。
負壓法標準裝置由于其經濟性,被國內外各級實驗室和流量儀表制造企業廣泛采用,用來實現常壓下氣體流量計的檢定和校準。隨著天然氣應用的迅速發展,天然氣計量也備受關注。國際上主要的高壓標準裝置(正壓法)多數是以天然氣為試驗介質,以滿足天然氣計量的要求,如加拿大的TCC、德國的Pigsar、荷蘭的Westerbork等。我國在南京和四川華陽也建有高壓天然氣流量標準裝置,其中南京的標準裝置工作壓力為4.5~9.6MPa,最大流量達到12 000m3/h[9]。
