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DN600大口径气体流量计 标准装置设计工艺详解


文章日期:2018-06-27|阅读数:


    为了向山西省“气化山西”战略实施提供技术支撑,有效推进四气(天然气、煤层气、焦炉煤气、煤制气)合一工作,同时向企业提供过程检测、气体能源计量等气体流量计的量值传递与溯源服务,山西省计量院积极开展了“DN600大口径气体流量标准装置”的研制,该装置采用音速喷嘴法和标准表法兼顾的工作方式,既可满足科学研究需要的高准确度,又可满足日常检定的工作效率需要,同时具有较好的节能经济性。装置的流量范围为(1-15000)m3/h,音速喷嘴法系统不确定度优于0.25% (k=2 ),标准表法系统不确定度为0.32oIo-0.35% (k=2),被检表口径为DN 15mm-DN600mm。装置的成功研制,填补了我国法制计量对DN600大口径气体流量检测的空白,保障我国对上述各种流量计的检定规程的有效实施。本文将着重从装置的临界流文丘里喷嘴法系统、标准表法系统、检测管线系统、动力气源系统、检测控制系统、变频控制系统、辅助系统、节能经济性等方面,谈一谈装置的技术工艺设计。

一、临界流文丘里喷嘴法系统:
1.音速喷嘴的确定:

  装置的设计方案要求临界流文丘里喷嘴(音速喷嘴) 应满足: 喷嘴流出系数的不确定度应达到Urel=0.15%(k=2),喷嘴组的流量范围应达到 (1~2500)m3/h。根据这一设计要求,确定临界流文丘里喷嘴组的数量组为12只, 组合流量为2559m3/h。喷嘴的流量范围及数量如表1所示。
2.音速喷嘴法系统的设计:
  装置的设计方案要求音速喷嘴法系统扩展不确定度应达到Urel=0.25%(k=2),并保证在不同的流量点,喷嘴能在临界流状态下运行。 为确保在喷嘴喉部形成临界流状态,装置达到系统的综合不确定度技术要求,12只喷嘴采用了大空间安装方式, 以保证检测流量计时滞止容器内流场稳定、流速近似滞止状态,
设计的滞止容器直径为600mm;同时在滞止容器上安装一台***大允许误差为0.05%FS的绝压变送器、一台不确定度为0.1℃的温度变送器、一台2级的湿度变送器,确保测量的滞止压力与滞止温度更接近真值,在连雨天和空气湿度较大时对喷嘴流量进行湿度修正,提高检测结果的准确性、减小其对整套装置引入的不确定度。 同时,在出口容器上安装一台***大允许误差为0.05%FS的绝压变送器以获得喷嘴背压,用于监视检测过程中喷嘴是否一直处于临界流状态。
3.音速喷嘴法检测方法的设计:
  目前音速喷嘴法气体标准装置大多数是一套独立的系统,只可对被检流量计实施检测。 由于本装置是音速喷嘴法和标准表法一体化的气体流量标准装置, 音速喷嘴法检测系统不仅可以检测被检流量计,同时具有对一体化装置中的标准气体涡轮流量计进行在线校准的功能,原理如图1所示。
  检测时,用气环真空泵将空气由被检表(或标准表)的上游直管段入口吸入,经过被检表(或标准表)进入滞止容器、音速喷嘴组,通过喷嘴组的组合,
来改变所需的检测流量。 稳定工况下,流经音速喷嘴、被检表(或标准表)的质量流量是相同的。 检测过程中,当喷嘴的背压比达到临界压力比时, 控制系统根据音速喷嘴前的气流滞止压力和滞止温度, 计算出标准的气体质量流量或累积流量,与被检表(或标准表)的值进行比较和计算,实现被检表在不同流量点下的检测。 由于标准表具有支持多段修正的特性, 在多个流量点下标定系数,采用线性内插,实现标准表的在线量值校准。
表1 喷嘴的流量范围及数量
表1 喷嘴的流量范围及数量
图1 音速喷嘴法检测原理图

图1 音速喷嘴法检测原理图

二、标准表法系统:
1.标准表法系统的设计:
  装置的设计方案要求标准表法系统应满足: 不确定度应达到Urel=0.35%(k=2), 流量范围应达到 (25~15000)m3/h。 选取的标准表应满足 : 不确定度应达到Urel=0.25%(k=2),重复性应达到0.05%,***大流量应达到15000m3/h,且不应超出音速喷嘴组的流量测量范围。
  要满足以上技术指标,必须选择准确度高、重复性好、量程比宽的标准表。 通过对其他计量部门使用国际国内气体流量计的调研并分析各类气体流量计使用中的试验数据, 选定德国ELSTER高准确度等级的气体涡轮流量计作为本装置的标准表。 为确保气体涡轮流量计在本装置上实现在线校准,
同时流量范围达到设计要求, 确定标准表组通过7台标准气体涡轮流量计并联组合使用拓宽装置流量检测范围,可以达到(25~15000)m3/h,主要参数及配置如表2所示。

2.标准表法检测方法的设计:
  检测时,用高压风机将空气由被检表的上游直管段入口吸入,经过被检表进入标准表组汇管,通过标准表后的流量调节阀控制检测流量, 当流量稳定后,利用计算机采集标准气体涡轮流量计组的流量,与采集到的被检表的值进行比较和计算,实现被检表在不同流量点下的检测,原理如图2所示。
表2 标准表组技术参数及数量

表2 标准表组技术参数及数量
图2 标准表法检测原理图

图2 标准表法检测原理图

三、检测管线系统:
  为了方便检测工作,检测管线系统可满足各系统共用的同时,覆盖了所有的被检表口径。 管线组设计5个工作 台 位 , 包 括14种 规 格 口 径 :DN15/20/25、DN40/50、DN80/100、DN150/200/250/300DN400/500/600。 在 检测管线上安装有气动伸缩器,夹表台位可以平稳移动和调整,
通过更换检测管线实现14种口径气体流量计的检测。 当被检表口径大于300mm时,为方便直管段搬运和固定安装,设计有可移动的架车,能平稳移动、安装便捷。

四、动力气源系统:
1.临界流喷嘴系统动力气源的设计:
  设计方案要求临界流喷嘴系统动力气源的***大抽气量要大于2500m3/h, 同时从节能和保证快速、可靠运行的角度,合理配备泵用变频器。
喷嘴的动力气源采用能耗低、噪音小、体积小、可免维护的气环真空泵。 通过对同行业单位气环泵使用情况及抽真空能力的调研分析,
  选定西门子的气环真空泵作为临界流喷嘴系统的动力气源,根据***大抽气量的指标,确定4台气环真空泵,真空泵组合在-35k Pa条件下总抽气量为2750m3/h,同时通过内置和外置两种方式配备有泵用变频器。 为了进一步减小噪音,在排气口安装有消音装置。 主要参数及配置如表3所示。

2.标准表法系统动力气源的设计:
  设计方案要求标准表法系统动力气源的***大抽气量要大于15000m3/h, 从设定***大流量点到流场稳定、具备检定条件的准备时间应控制在3min内。
表3 真空泵的技术参数及数量

表3 真空泵的技术参数及数量
  由于标准表法系统的流量大, 为了使整套装置的能耗低,动力气源选用高压风机,通过配置变频器,实现大口径气体流量计在大流量、低噪音、低能耗下的检测,高压风机组的总抽气量为:全压15k Pa条件下31000m3/h,通过对高压风机多次试验 ,风机组合后的流量可达到15000m3/h以上, 满足标准表组合计量的***大流量要求,为了进一步减小噪音,在排气口安装有消音装置。 主要参数及配置如表4所示。

表4 高压风机的技术参数及数量
表4 高压风机的技术参数及数量

五、检测控制系统:
  根据设计方案要求,检测控制系统所控制对象包括介质源系统、气体流量检定系统、流量组合选择系统、 多媒体系统及其他设备。 要求控制系统可靠、高效,实现各子系统的测控和协调工作,完成检测工作。检测控制系统由控制子系统、数据采集子系统及软件子系统3部分组成,如图3所示。
    1.控制子系统    控制真空泵吸口阀门、卸真空阀门、气缸阀的选择和开关;控制真空泵、空压机等设备的启停。
    2.数据采集子系统    自动采集系统温度、压力、湿度等信号;自动采集被检表的流量信号,包括电流(4~20)mA、直流电压(1~5)V、脉冲信号、低频信号等。
    3.软件子系统    自动检测整套装置气密性和夹装流量计后整套装置的气密性。对各种标准流量计、被检流量计、温度传感器、压力传感器和其他设备进行参数设置。可以将喷嘴的组合流量或标准气体涡轮流量计的组合流量和高压风机的风量通过自动化控制系统和RS232/485接口传输到工控机上。能自动、手动选择气环真空泵及高压风机,能监视动力中心的实时状况。随同检测结果自动给出流量—误差特性曲线。可对各种流量计按照检定规程进行检定、校准及检测、数据处理、结果判定,并可打印设定格式的记录及报告。
图3检测控制系统示意图
图3检测控制系统示意图

    六、变频控制系统:
    根据JJF1240-2010《临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置校准规范》的要求,装置检测时每个喷嘴必须做一次背压比实验,需要通过变频方式来控制喷嘴的背压比以完成检测工作。而在使用标准表组检测流量计时,动力源高压风机所配电机的额定功率较大,检测中风机需要较频繁启动,直接启动电机,启动电流过高不仅影响电机正常使用寿命,且对电网拖动过大,利用变频器实现电机软启动、补偿功率因素等功能来调节风机转速,不仅减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,还可以延长设备和阀门的使用寿命,给设备提供过流、过压、过载等保护,同时达到节能的目的。
    本装置中采用了变频控制系统,分别对真空气环泵与高压风机在检测过程中进行变频调节,并加装配套过滤器,用以消除对变频器的干扰。

七、主要辅助系统:
1.辅助气源系统的设计:
  为确保各系统间快速有效的无泄漏连接与关闭同时减轻劳动强度、提高工作效率,本装置还设计有压缩气泵、储气罐、气动三联件、连接管线、法兰和阀门等,其中储气罐依据标准GB150-2011《固定式压力容器》的要求设计,容积为1 m3,耐压等级为10kg.
    2.缓冲容器的设计:
    为保证进入装置的气体相对稳定并在喷嘴喉部形成临界流状态,音速喷嘴法系统中增加了容积为2m3、厚度为6mm、带有调压功能的不锈钢缓冲容器。
    3.供电系统的设计 :
  本装置的供电系统所采用的电气设备可有效地将信号采集、处理线路和变频泵等动力用电有效隔离。此外还可给现场装置上所用的仪表、阀门、泵、电机等设备提供电源,提供的供电电源有:DC12V,1A;24V,0.5A;-12V ,0.5A。并且有过载、过压、过流及漏电保护措施。
    4.装置中压力和温度的设计:
    本装置在被检表、标准表的前后及滞止容器上分别安装有0.05级的绝压变送器和不确定度为0.10C的温度变送器,检测气体介质的温度及压力在检测过程中的变化并对流量测量值进行补偿,同时计算喷嘴背压比。滞止容器上的滞止压力和滞止温度均匀差不超过0.20C 。
   5.计时器设计:
    为了系统及时采集数据,累积流量数据准确,采用高准确度的计时器,其晶振准确度}1x10},满足8h的稳定度蕊1 x 10-,晶振可拆装且带有晶振信号输出检测口,便于计量检定。
    6.夹表装置及伸缩器:
    伸缩器采用外缸推动伸缩方式,伸缩量程可满足各种类型长度的流量计。夹表装置设计具有同心定位结构,可实现方便快速夹装。

八、系统节能经济性设计:
  本装置DN300以下设计用音速喷嘴法,DN300及以上口径,设计用涡轮流量计标准表法,具有非常良好的节能经济性。 一块表检30%、60%、100%3个点,各检3次,按涡街流量计Vmax=35m/s,每个检测点耗 时约15min,每块表按耗时2h计算,分别采用标准表法风机气源、音速喷嘴法气环真空泵气源、音速喷嘴法水环真空泵气源等3种方法 (按1000m3/h工况流量估算气源功率:风机18.5k W;气环真空泵35k W;水环真空泵:45k W),能耗数据分析如表5所示。
表5 DN300及以上各种方法能耗对比

  从表5可以清晰看出,采用标准表法,分别比采用音速喷嘴法配气环真空泵、 音速喷嘴法配水环真空泵,平均节能48%和59%,经济节能效益非常明显。


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