涡轮流量计流量标准检定规程,音速喷嘴气体流量

  实验设备:
  流量标准装置是流量单位量值统一与传递的标准,也是保证流量计量仪表准确一致的重要工具。通过使用流量标准装置可以确保不同地区不同部门不同企业的流量量值与标准量值统一。使用流量标准装置检定流量计,可以确定流量计的准确度等级、过载能力、可靠性、寿命和重复性等,还可以研究流量计的动态特性,分析标况条件与工况条件之间的差异对流量计性能的影响。此外,流量计是计量法规定的强检计量器具,且常用与贸易结算计量,因此必须进行周期检定。 目前,常见的流量标准装置可以分为液体流量标准装置和气体流量标准装置两大类,如图 5.1 和图 5.2。 

图 5.1  液体流量标准装置分类图

图 5.1  液体流量标准装置分类图 
图 5.2  气体流量标准装置分类图

图 5.2  气体流量标准装置分类图 

  随着天然气占能源消耗的比重越来越大,为了保证天然气流量量值的统一于传递,满足天然气流量计量及其测试研究工作的需要,我国从事天然气生产、运输和销售的大型企业都相应建立了本企业的各等级的气体流量标准装置及其量传体系。如中石油所属的多个天然气计量站(中心)均采用临界流喷嘴作为次级标准。因此选用临界流喷嘴即音速喷嘴法气体流量标准装置进行实验测试,
图 5.3 为音速喷嘴气体流量标准装置实物图。 

图 5.3  音速喷嘴气体流量标准装置实物图

图 5.3  音速喷嘴气体流量标准装置实物图 

音速喷嘴气体流量标准装置的结构:
  音速喷嘴气体流量标准装置通常由气源、试验管路、临界流流量计、计时器和控制设备等组成。其中气源包括压气机和压力储气罐、标准系统、原始标准系统。临界流流量计主要分音速喷嘴和音速文丘里喷嘴两种。音速喷嘴又称临界流喷嘴,它的喉部后面不带扩张管;音速文丘里喷嘴又称临界流文丘里喷嘴,它的喉部后面带有扩张管。临界流流量计包含一次装置和二次装置两部分。一次装置是音速喷嘴或音速文丘里喷嘴,二次装置包括测量一次装置前气体滞止压力 P0的压力计和测量一次装置前气体滞止温度 T0的温度计。临界流量计中的喷嘴安装在滞止容器壁上,不同喉径的喷嘴组合可以给出多个恒定质量流量点。 
  音速喷嘴根据 ISO9300 等相关标准按照一定的几何形状设计制造。根据空气动力学理论[59],当音速喷嘴的上游滞止压力恒定不变时,降低音速喷嘴的下游压力,当音速喷嘴的下游压力达到一定值时,下游压力与上游压力之比达到临界压力比。此时通过音速喷嘴喉部截面的气体流速达到音速,通过音速喷嘴的气体质量流量达到***大,即使进一步降低下游压力其流量也不会再增加。流出音速喷嘴的气体质量流量由音速喷嘴喉部面积和上游的流体参数共同决定。在满足临界压力比的条件下,通过音速喷嘴的气体质量流量只与音速喷嘴的上游压力有关,而不受喷嘴下游压力的影响。根据这一特性,临界流流量计成为了应用于气体流量标准装置***主要的气体流量标准器。 
  音速喷嘴气体流量标准装置按照气源压力的不同进行分类,有正压法和负压法两种。负压法的流量范围受到限制,但是其喷嘴上游压力为大气,故流量稳定性好。本实验使用的是浙江苍南仪表厂检定中心的负压法音速喷嘴气体流量标准装置。 
图 5.4  负压法音速喷嘴气体流量标准装置结构图

图 5.4  负压法音速喷嘴气体流量标准装置结构图 

负压法音速喷嘴标准装置由三部分组成,见图 5.4。部分包括
1—过滤器,
2—被检仪表,
3—开关阀门;第二部分包括 4—滞止容器,
5—音速喷嘴(临界流流量计),
6—开关阀门;第三部分包括 7—真空罐,
8—调节阀门,
9—真空泵;装置每部分都有相应的压力和温度传感器,例如,滞止容器内装有检测音速喷嘴滞止温度及压力的温度和压力传感器,被检仪表前管道处有检测入口温度和压力的传感器 T 和 P1。其中真空泵需要根据负压法音速喷嘴标准装置的***大流量和阻力损失来选择。 

  本实验所采用的负压法音速喷嘴气体流量标准装置的检定介质为空气,标准装置的***大工作流量为 1050 m3/h,装置扩展不确定度为 0.25%。其关键部件临界流量计是由 16 个不同喉径的音速喷嘴组成,可采用不同喉径的音速喷嘴进行组合以满足不同检定流量点的需求,各音速喷嘴参数见下表 5.1。 
表 5.1  各音速喷嘴参数表

表 5.1  各音速喷嘴参数表 
  音速喷嘴气体流量标准装置有 2 台真空泵,单台真空泵的抽气速率为270m3/min,***大工作压力为 1.8MPa。安装在管道上的温度传感器 T 和压力传感器 P1 与工控机连接,可检测被检仪表管道内压力和工作温度,压力变送器P1 的测量范围为 0-1000k Pa,温度传感器 T 的测量范围为 0-50°C。滞止容器上安装的温度传感器 Ti和压力传感器 P 与工控机连接,温度传感器 Ti的测量范围为 0-50°C,压力传感器 P 的测量范围为 0-1000k Pa。 

音速喷嘴气体流量标准装置的工作原理 :
  音速喷嘴气体流量标准装置的工作原理是基于流体力学的连续性方程。以临界流流量计为标准器,当气体连续通过临界流流量计和试验管路时,标准装置瞬时流量由临界流流量计给出,累积流量由临界流流量计和计时器给出。对流量计进行检定时,比较相同状态临界流流量计和被检流量计流量,从而确定被检流量计的计量性能。 

  负压法音速喷嘴气体流量标准装置检定流量计时,首先按检定流量确定使用的喷嘴组合,用开关阀关断不需要使用的喷嘴管路。启动真空泵,在真空泵的作用下,真空罐内的压力不断下降,当喷嘴下游和上游的压力比小于临界压力比时,气体质量流量达到***大,稳定保持在检定流量点。开始试验时,同时记录喷嘴上游气体滞止温度、滞止压力、被测流量计的输出值和试验管路处的温度和压力。经过一定时间后,同时停止各参数的记录。此时,喷嘴给出的瞬时质量流量为 计算公式

其中:qm为第 n 个喷嘴的质量流量,
kg/s;A*为第 n 个喷嘴的喉部截面面积,
m2;C 为第 n 个喷嘴的流出系数;C*为第 n 个喷嘴的临界流函数;p0为第 n 个喷嘴的上游气体滞止压力,
Pa;T0为第 n 个喷嘴的上游气体滞止温度,
K;R 为通用气体常数,
8.31441 J/(mol∙k);M 为气体摩尔质量,
kg/mol;式中  A*,
C 由喷嘴检定结果得到,
p0和 T0由测量得到,
C*是随介质组分、温度、压力变化的参数。 

  通过试验管路的气体质量流量为 qm,测量试验管路处气体的温度 T、压力P 和密度 ρ,则通过试验管路处的气体瞬时体积流量为 气体瞬时体积流量

其中:qvn为标准状态(20℃,101325Pa)的瞬时体积流量,m3/s;qn为瞬时质量流量,kg/s;Zn,Z 分别为气体标准状态、工况状态(T,P)下压缩因子;ρ 为工况状态下密度,kg/m3; 试验管路的气体累积体积流量为  v vnQ q t   (5-3) 其中:Qv为标准状态下的累积体积流量,m3;t 为测量时间,s。 

 实验流程:
  涡轮流量计是速度式流量计中应用***广的流量计,其检定有单独制定的专用标准 JJG1037-2008《涡轮流量计检定规程》。本实验遵从该标准进行实验检定。 
  涡轮流量计的检定采用直接测量法在流量标准装置上进行检定,将被检量与标准量进行比较,即标准装置上的流量标准量与被检流量计示值进行比较。 
  按照涡轮流量计的检定规程 JJG1037-2008  的要求,流量计的检定应包含qmin、0.1qmax  、0.25qmax、0.40qmax、0.70qmax和 qmax这 6 个流量点,即在 13 m3/h、25 m3/h、62.5 m3/h、100 m3/h、175 m3/h、250 m3/h 流量值进行工况环境实验检定。具体实验流程如下:
(1) 开启音速喷嘴法气体流量标准装置电源,真空泵运行调节储气容器内的气压,待气压稳定达到检定要求后方可开始检定;
(2) 在音速喷嘴法气体流量标准装置上选取相应口径的管道安装被检流量计并连接相应传感器,如图 5.5。流量计与前后直管段要同轴安装,其试验管段的连接部位应无泄露且保证连接处的密封垫未凸入流体管道内; 
图 5.5  涡轮流量计检定安装图

图 5.5  涡轮流量计检定安装图 
(3) 打开音速喷嘴法气体流量标准装置工控机上的检定程序,设定检定流量值,并确定环境温度、湿度以及装置内气体温度、湿度符合检定标准,检定程序界面见图 5.6; 
图 5.6  工控机检定程序界面

图 5.6  工控机检定程序界面 
(4) 在工控机上运行检定程序,流量计在可达到的***大检定流量的70%~100%范围内运行 5min 后,流体温度、压力和流量稳定后开始正式检定各规定的流量值;
(5) 检定过程中,要随时注意压力、温度、流量的变化,每调整到一个检定流量点,都应等待压力、温度、流量稳定后才可进行检定,且每个流量点的检定 3 次,工控机会同时进行测量并记录标准装置和流量计的流量值、大气压力、流体温度、表压力和检定时间等;
(6) 完成各规定流量值的检定后,输出数据记录并进行数据处理;
(7) 关闭音速喷嘴法气体流量标准装置。 

实验结果:
  在经过温湿度修正等数据处理后,使用音速喷嘴法气体流量标准装置对原型号涡轮流量计进行的实验测量得到表 5.2 的检定结果。该实验检定结果为第四章中数值模拟计算的压力损失值提供了实验数据支撑,验证了数值模拟的可靠性。考虑到时间、成本及安全等因素,尚未进行开模和实验对比验证。后续可在考虑后导流器结构强度的同时选出较优模型开模并进行实验验证。 
表 5.2  原型号涡轮流量计的实验检定结果

表 5.2  原型号涡轮流量计的实验检定结果

  实验得到的涡轮流量计压力损失与流量之间的关系已于前一章的图 4.5 给出,图中还给出了实验值与计算值的比较。 

小结:
  常见的流量标准装置可以分为液体流量标准装置和气体流量标准装置两大类,本章着重介绍了属于速度法标准装置的音速喷嘴气体流量标准装置的结构及其工作原理。 本文实验使用的是浙江苍南仪表厂检定中心的负压法音速喷嘴气体流量标准装置。负压法音速喷嘴标准装置由三部分组成,包括过滤器、被检仪表、开关阀门、滞止容器、音速喷嘴(临界流流量计)、真空罐、调节阀门和真空泵。
  其工作原理可以简要概括为:气体连续通过临界流流量计和试验管路,标准装置瞬时流量由临界流流量计给出,累积流量由临界流流量计和计时器给出。对流量计进行检定时,比较相同状态临界流流量计和被检流量计流量,从而确定被检流量计的计量性能。 

  本文实验就是基于以上工作原理按照涡轮流量计检定规程进行实验测量,检定所得结果为第四章中数值模拟计算的压力损失值提供了实验数据对比,给出了实验值与计算值的比较,验证了数值模拟的可靠性。 

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