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標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
發(fā)布時間：2017-11-22
引言
氣體流量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置主要有鐘罩式、活塞式、皂膜式、p.V.T. t法、m. t法和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。其中,標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)裝置”)采用經(jīng)上級氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置量值傳遞、具有優(yōu)良重復(fù)性及穩(wěn)定性的流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表,在同一時間間隔內(nèi)使氣體連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)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(jì)80年代,標(biāo)準(zhǔn)裝置在國外已經(jīng)廣泛使用;在國內(nèi),雖然歷史較短,但是隨著相應(yīng)技術(shù)法規(guī)和量值溯源系統(tǒng)的完善,發(fā)展非常迅速。該類裝置以其高效率、寬范圍、較高的準(zhǔn)確度等特點,已經(jīng)成為大流量高低壓氣體流量計檢定/校準(zhǔn)的主流裝置。
1標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的分類
標(biāo)準(zhǔn)裝置按照氣源系統(tǒng)類型、氣流回路系統(tǒng)類型和標(biāo)準(zhǔn)表類型三個層次,可進行如下分類。
按照氣源系統(tǒng)類型,標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。正壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置較高而可變的氣源壓力可以實現(xiàn)氣體流量計在高壓狀態(tài)下的檢定/校準(zhǔn);負壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠滿足常壓使用的氣體流量計的檢定/校準(zhǔn)。正壓法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用空氣壓縮機和穩(wěn)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(nèi)循環(huán)或進入下游管路;負壓法以大氣為氣源,采用風(fēng)機或真空泵造成負壓,氣體由試驗管路吸入,經(jīng)過被檢氣體流量計和標(biāo)準(zhǔn)表,排入大氣。負壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置氣源穩(wěn)定,系統(tǒng)比較簡單,投資少、能耗低,是目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)表法裝置最常采用的方法之一。
按照氣流回路系統(tǒng),正壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置可分為閉環(huán)式和開環(huán)式兩種基本類型。閉環(huán)式標(biāo)準(zhǔn)裝置中,試驗管路呈閉環(huán)形式,試驗氣體在管路內(nèi)循環(huán);開環(huán)式也稱作在線式,目前依托天然氣輸送站建立的標(biāo)準(zhǔn)裝置一般均采用這種形式,天然氣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)裝置后,進入下游管路。按照標(biāo)準(zhǔn)表的類型,常用作裝置標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)裝置
下文均以負壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置為例,對不同類型標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)裝置進行介紹。
2. 1臨界流流量計氣體流量標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用更加廣泛。
2.1.1硬件組成
標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由被檢流量計系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成[2]。其典型標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。
被檢流量計系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)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(cè)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(tǒng)包括氣源管路、標(biāo)準(zhǔn)表管路和被檢流量計管路。氣源管路與標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(lián)的開關(guān)閥;兩個閥門之間設(shè)置壓力測量點,通過檢測壓力值,實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(tǒng)中主要采用真空泵(氣環(huán)式或水環(huán)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(biāo)準(zhǔn)裝置的計算機控制系統(tǒng)主要完成所有的現(xiàn)場設(shè)備控制功能和數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及表單輸出功能。
2.1.2工作原理
真空泵產(chǎn)生負壓,空氣由被檢流量計管路入口吸入,當(dāng)獲得穩(wěn)定的噴嘴臨界壓力比并穩(wěn)定后,測量正式開始。在相同時間內(nèi),氣體依次經(jīng)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(zhì)量流量。根據(jù)流體連續(xù)性原理,該質(zhì)量流量即為通過被檢流量計的質(zhì)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(zhǔn)。實際條件下,通過臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量為:
式中: qm0為質(zhì)量流量, kg/s;Ant為噴嘴喉部的橫截面積,m2;Cd′為流出系數(shù);C*為實際氣體臨界流函數(shù);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(shù), R=8.314 41 J?mol-1K-1;M為空氣的物質(zhì)的量,M=0.028 964 kg?mo;lkφ為濕度修正系數(shù)。
在國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)為未經(jīng)過干燥處理的濕空氣,需要進行濕度修正。目前,國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)裝置間的系統(tǒng)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度、絕對壓力、熱力學(xué)溫度和壓縮系數(shù),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(xué)溫度和壓縮系數(shù),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(nèi)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(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)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(shù)機構(gòu)普遍采用其作為氣體流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)。德國國家物理技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置可以得到很寬的流量范圍,國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置的總功耗不超過40 kW。
2. 2速度式流量計氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
目前采用的速度式流量計標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度高,重復(fù)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(jié)構(gòu)緊湊等特點[5],得到了較廣泛的使用。
2.2.1標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成
渦輪流量計氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的典型標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
渦輪流量計可單臺使用,也可多臺并聯(lián)組合使用,實現(xiàn)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(nèi)所有流量點[6]。
裝置多采用離心式風(fēng)機做為氣源動力,通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器的頻率變化,控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)試驗氣體流量的設(shè)定。
2.2.2工作原理
風(fēng)機產(chǎn)生負壓,空氣由被檢流量計管路入口吸入,在相同時間內(nèi),氣體連續(xù)經(jīng)過被檢流量計管路和所選定標(biāo)準(zhǔn)表管路,將標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)對被檢流量計的檢定/校準(zhǔn)。流過標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計的標(biāo)準(zhǔn)狀況體積為:
式中:Vs為流過標(biāo)準(zhǔn)流量計的標(biāo)準(zhǔn)狀況體積,Nm3;N為標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖數(shù),無量綱;k為標(biāo)準(zhǔn)表的儀表系數(shù),m-3;pn、Tn、Zn分別為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的絕對壓力、熱力學(xué)溫度和壓縮系數(shù),且pn=101 325Pa、Tn=293.15K、Zn=1;ps、Ts、Zs分別為工況條件下標(biāo)準(zhǔn)表處空氣的絕對壓力、熱力學(xué)溫度和壓縮系數(shù),單位分別為Pa、K、無量綱,常壓下Zs=1。
流過被檢流量計的標(biāo)準(zhǔn)狀況體積為:
式中:Vt為流過被檢流量計的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)表處空氣的絕對壓力、熱力學(xué)溫度和壓縮系數(shù),單位分別為Pa、K、無量綱,常壓下Zm=1。
由質(zhì)量連續(xù)性原理,得到:
Vsρn=Vtρn(8)
式中:ρn為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作效率高,并且投資低、能耗也較低。
標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計工作時需要渦輪高速旋轉(zhuǎn),難以長期保持校準(zhǔn)特性,這就需要經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn),以維持其高準(zhǔn)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置
容積式流量計是準(zhǔn)確度較高的一類流量儀表,并且具有優(yōu)良的重復(fù)性等優(yōu)點。常用作裝置標(biāo)準(zhǔn)表的有濕式氣體流量計和腰輪流量計。濕式氣體流量計準(zhǔn)確度可達±0.2%,量程比為20∶1,性能穩(wěn)定。腰輪流量計不受管道內(nèi)流場畸變的影響,無需配置長的直管段。但該類標(biāo)準(zhǔn)表結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎn)生較大噪聲,甚至振動。因此,采用該類標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)表裝置類似,不再贅述。
2. 4組合式標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
以臨界流流量計、速度式流量計和容積式流量計為標(biāo)準(zhǔn)表的標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)表。該類標(biāo)準(zhǔn)裝置共用一套被檢流量計管路和一套控制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)表管路按各類標(biāo)準(zhǔn)表要求獨立設(shè)置呈并聯(lián)形式,具有各自獨立的氣源系統(tǒng)。檢測過程中根據(jù)檢測流量點選擇不同類型的標(biāo)準(zhǔn)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。考慮既要降低小流量的檢測范圍、又要節(jié)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(biāo)準(zhǔn)表;在大流量段采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計為噴嘴系統(tǒng),能夠校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計,實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計的在線校準(zhǔn)。
3不同氣流回路系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置
由于負壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置基本上采用空氣為試驗介質(zhì),試驗中空氣直接排入大氣,所以氣流回路系統(tǒng)比較簡單。對于正壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置,試驗介質(zhì)為壓縮空氣或工況實流介質(zhì)(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(tǒng)有閉環(huán)式和開環(huán)式兩種類型。
3. 1閉環(huán)式標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
該類標(biāo)準(zhǔn)裝置常選用速度式流量計或容積式流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表。采用壓縮空氣作為試驗介質(zhì),不存在防爆和試驗氣體排放問題,流量、壓力調(diào)節(jié)更容易實現(xiàn)。其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。
空氣壓縮機、高壓容器和高壓鼓風(fēng)機作為高壓氣源系統(tǒng),將高壓氣體施加到試驗管路中,高壓鼓風(fēng)機在預(yù)定的壓力下設(shè)置流量。由于氣體壓力升高,管路內(nèi)氣體溫度上升,利用熱交換系統(tǒng)將管路中氣體溫度冷卻并穩(wěn)定控制[8],氣體連續(xù)通過被檢流量計和標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng),實現(xiàn)對被檢流量計的檢定/校準(zhǔn)。試驗管路呈閉環(huán)形式。閉環(huán)式高壓氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置是高壓裝置中相對投資低、建設(shè)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(tǒng)和熱交換系統(tǒng),裝置的能耗明顯高于負壓法裝置。
3. 2開環(huán)式標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置
由于天然氣的計量成為氣體流量計應(yīng)用于高壓情況的一個重要方面,所以開環(huán)式高壓標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)。對于天然氣輸送站的選擇,應(yīng)確保天然氣的壓力范圍和流量范圍能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作條件。開環(huán)式高壓標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。
裝置主要由調(diào)壓系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)、被檢流量計系統(tǒng)、量值傳遞系統(tǒng)和分流/旁路系統(tǒng)組成。天然氣由輸送管線進入,經(jīng)過過濾分離器、壓力調(diào)節(jié)器,檢測用氣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)分流調(diào)節(jié)閥直接進入流出管路。標(biāo)準(zhǔn)表系統(tǒng)一般采用渦輪流量計為標(biāo)準(zhǔn)表。在檢測間歇,天然氣不經(jīng)過測試管道,可直接經(jīng)旁路調(diào)節(jié)閥送回至輸送管線。
由于是高壓天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置,對于那些應(yīng)用于天然氣的流量儀表,實現(xiàn)了實流介質(zhì)檢定和校準(zhǔn)。該類裝置依托于天然氣輸送管線,不需要獨立的氣源系統(tǒng),裝置的流量調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)裝置、次級標(biāo)準(zhǔn)裝置和工作標(biāo)準(zhǔn)裝置等完善的量值傳遞體系,因此,投資巨大。
4結(jié)束語
標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是目前國內(nèi)外普遍采用的次級流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
負壓法標(biāo)準(zhǔn)裝置由于其經(jīng)濟性,被國內(nèi)外各級實驗室和流量儀表制造企業(yè)廣泛采用,用來實現(xiàn)常壓下氣體流量計的檢定和校準(zhǔn)。隨著天然氣應(yīng)用的迅速發(fā)展,天然氣計量也備受關(guān)注。國際上主要的高壓標(biāo)準(zhǔn)裝置(正壓法)多數(shù)是以天然氣為試驗介質(zhì),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(biāo)準(zhǔn)裝置,其中南京的標(biāo)準(zhǔn)裝置工作壓力為4.5~9.6MPa,最大流量達到12 000m3/h[9]。
