标准表法气体流量标准装置
发布时间：2017-11-22
引言
气体流量标准装置主要用于确定气体流量计的计量性能。目前常用的气体流量标准装置主要有钟罩式、活塞式、皂膜式、p.V.T. t法、m. t法和标准表法气体流量标准装置。其中,标准表法气体流量标准装置(以下简称“标准装置”)采用经上级气体流量标准装置量值传递、具有优良重复性及稳定性的流量计作为标准表,在同一时间间隔内使气体连续通过标准表和被检气体流量计。通过比较两者的输出值,从而确定被检气体流量计的计量性能[1]。
上世纪80年代,标准装置在国外已经广泛使用;在国内,虽然历史较短,但是随着相应技术法规和量值溯源系统的完善,发展非常迅速。该类装置以其高效率、宽范围、较高的准确度等特点,已经成为大流量高低压气体流量计检定/校准的主流装置。
1标准表法气体流量标准装置的分类
标准装置按照气源系统类型、气流回路系统类型和标准表类型三个层次,可进行如下分类。
按照气源系统类型,标准装置分为正压法和负压法两大类。气体流量计的性能在不同的压力下会有差异,其变化与压力高低和流量类型有关。正压法标准装置较高而可变的气源压力可以实现气体流量计在高压状态下的检定/校准;负压法标准装置能够满足常压使用的气体流量计的检定/校准。正压法气体流量标准装置采用空气压缩机和稳压容器或其他方法将高压气体充入到试验管路,高压气体在试验管路内循环或进入下游管路;负压法以大气为气源,采用风机或真空泵造成负压,气体由试验管路吸入,经过被检气体流量计和标准表,排入大气。负压法标准装置气源稳定,系统比较简单,投资少、能耗低,是目前国内标准表法装置最常采用的方法之一。
按照气流回路系统,正压法标准装置可分为闭环式和开环式两种基本类型。闭环式标准装置中,试验管路呈闭环形式,试验气体在管路内循环;开环式也称作在线式,目前依托天然气输送站建立的标准装置一般均采用这种形式,天然气经过标准装置后,进入下游管路。按照标准表的类型,常用作装置标准表的气体流量计包括:临界流流量计、速度式流量计、容积式流量计等。有时在同一套装置中采用上述两种或两种以上类型的气体流量计,称之为组合式。
2不同类型标准表的标准装置
下文均以负压法标准装置为例,对不同类型标准表的标准装置进行介绍。
2. 1临界流流量计气体流量标准装置
临界流流量计主要由临界流文丘里喷嘴或临界流喷嘴及其配套的测温测压仪表组成。由于临界流喷嘴的临界压力比低、能耗较大,所以临界流文丘里喷嘴的应用更加广泛。
2.1.1硬件组成
标准表标准装置主要由被检流量计系统、标准表系统、管路系统、气源系统和控制系统等部分组成[2]。其典型标准装置结构如图1所示。
被检流量计系统包括被检流量计流量信号的获取以及被检流量计处的温度、压力的测量。
标准表系统主要由一套临界流文丘里喷嘴(以下简称喷嘴)组件组成。常用的安装方式是在一个大的滞止容器侧部嵌入若干只喷嘴,喷嘴喉径大小不一,组成了喷嘴系列;在滞止容器处进行滞止温度和滞止压力的测量。
管路系统包括气源管路、标准表管路和被检流量计管路。气源管路与标准表管路衔接处采用柔性接头连接,以减小气源部分机械振动的传入[3]。根据被测流量大小,开启不同喷嘴的相连阀门,进行定点测量;全部喷嘴的相连阀门打开时可得到最大流量。每路喷嘴安装两个串联的开关阀;两个阀门之间设置压力测量点,通过检测压力值,实现对标准表管路的检漏。被检流量计管路必须配置足够长的前后直管段,为了调整气体流场、减少流阻和降低噪声,管道入口常采用喇叭形入口。
气源系统中主要采用真空泵(气环式或水环式)作为装置的气源动力。气动控制部分包括空压机、气动阀门、气动夹表器等。
标准装置的计算机控制系统主要完成所有的现场设备控制功能和数据采集、数据处理以及表单输出功能。
2.1.2工作原理
真空泵产生负压,空气由被检流量计管路入口吸入,当获得稳定的喷嘴临界压力比并稳定后,测量正式开始。在相同时间内,气体依次经过被检流量计管路和所选定的喷嘴管路,通过测量喷嘴的滞止温度和滞止压力,可以得到通过喷嘴的质量流量。根据流体连续性原理,该质量流量即为通过被检流量计的质量流量;在被检流量计处进行温度、压力测量,进而得到工况条件下通过被检流量计的累积体积流量。将该值与被检流量计输出值进行比较计算,完成对被检流量计的检定/校准。实际条件下,通过临界流文丘里喷嘴的质量流量为:
式中: qm0为质量流量, kg/s;Ant为喷嘴喉部的横截面积,m2;Cd′为流出系数;C*为实际气体临界流函数;p0为喷嘴入口处气体的绝对滞止压力,Pa;T0为喷嘴入口处气体的滞止温度,K;R为通用气体常数, R=8.314 41 J・mol-1K-1;M为空气的物质的量,M=0.028 964 kg・mo;lkφ为湿度修正系数。
在国家标准GB/T 21188《用临界流文丘里喷嘴测量气体流量》中给出了干空气的C*算法。对于工作介质为未经过干燥处理的湿空气,需要进行湿度修正。目前,国内外使用的湿度修正方法很多,为了消除因使用不同修正方法可能带来标准装置间的系统差,推荐使用GB/T 21188中的湿度修正公式计算kφ。
实际条件下,通过被检流量计的质量流量为:
qm1=qm0(2)
工况条件下,通过被检流量计的空气密度为:
式中:ρn、pn、Tn、Zn分别为标准状况下空气的密度、绝对压力、热力学温度和压缩系数,ρn=1. 204 8 kg/m3、pn=101 325 Pa、Tn=293. 15K、Zn=1;ρ1、P1、T1、Z1分别为工作状况下被检流量计处空气的密度、绝对压力、热力学温度和压缩系数,单位分别为kg/m3、Pa、K和无量纲,常压下Z1=1。
工况条件下,测量时间内通过被检流量计的累积体积流量为:
式中:t为测量时间,s。
从而得到被检流量计的示值误差为:
式中:V1为被检流量计输出的累积体积流量,m3/h。
2.1.3主要特点
由于临界流流量计具有准确度高、性能稳定、体积小、维护方便、检定周期长等特点。世界上许多著名的流量测量技术机构普遍采用其作为气体流量传递标准。德国国家物理技术研究院、美国的西南天然气研究院、英国国家工程试验室等均建有临界流流量计气体流量标准装置[4]。临界流流量计在我国各级流量实验室中也有广泛使用,通过喷嘴的组合,标准装置可以得到很宽的流量范围,国内装置的扩展不确定度可达0.25% (包含因子k=2)。
该类装置能耗较大,以该类标准装置中能耗较低的负压法装置为例,最大流量为4 000Nm3/h,其总功耗为100 kW,而涡轮流量计标准装置的总功耗不超过40 kW。
2. 2速度式流量计气体流量标准装置
目前采用的速度式流量计标准表主要有涡轮流量计和超声流量计等。其中涡轮流量计以其准确度高,重复性好,可以输出高频脉冲信号、信号分辨率强、抗干扰性好、范围度宽、结构紧凑等特点[5],得到了较广泛的使用。
2.2.1标准装置的组成
涡轮流量计气体流量标准装置的典型标准装置结构如图2所示。
涡轮流量计可单台使用,也可多台并联组合使用,实现流量范围的扩展。涡轮流量计可以定点使用,即只使用几个固定的流量点;或非定点使用,即使用流量范围内所有流量点[6]。
装置多采用离心式风机做为气源动力,通过调节变频调速器的频率变化,控制风机转速,实现试验气体流量的设定。
2.2.2工作原理
风机产生负压,空气由被检流量计管路入口吸入,在相同时间内,气体连续经过被检流量计管路和所选定标准表管路,将标准涡轮流量计测量的空气体积换算到被检流量计工况条件下的体积量,与被检流量计输出值进行比较,实现对被检流量计的检定/校准。流过标准涡轮流量计的标准状况体积为:
式中:Vs为流过标准流量计的标准状况体积,Nm3;N为标准表的脉冲数,无量纲;k为标准表的仪表系数,m-3;pn、Tn、Zn分别为标准状况下空气的绝对压力、热力学温度和压缩系数,且pn=101 325Pa、Tn=293.15K、Zn=1;ps、Ts、Zs分别为工况条件下标准表处空气的绝对压力、热力学温度和压缩系数,单位分别为Pa、K、无量纲,常压下Zs=1。
流过被检流量计的标准状况体积为:
式中:Vt为流过被检流量计的标准状况体积,Nm3;Vm为工况条件下流过被检流量计的体积,m3;pm、Tm、Zm分别为工况条件下标准表处空气的绝对压力、热力学温度和压缩系数,单位分别为Pa、K、无量纲,常压下Zm=1。
由质量连续性原理,得到:
Vsρn=Vtρn(8)
式中:ρn为标准状况下空气的密度。
则工况条件下,流过被检流量计的体积为:
从而得到被检流量计的示值误差δ为:
式中:V1为被检流量计输出的工况体积,m3。
2.2.3装置的主要特点
速度式流量计气体标准装置结构简单、操作方便、工作效率高,并且投资低、能耗也较低。
标准涡轮流量计工作时需要涡轮高速旋转,难以长期保持校准特性,这就需要经常校准或在线校准,以维持其高准确度[7]。
由于小口径(DN50以下)涡轮流量计的流量特性受流体物理性质影响较大,所以小口径的涡轮流量计性能难以提高,难以达到标准表的要求,因此,该类装置适用于大中流量的测量。
2. 3容积式流量计气体流量标准装置
容积式流量计是准确度较高的一类流量仪表,并且具有优良的重复性等优点。常用作装置标准表的有湿式气体流量计和腰轮流量计。湿式气体流量计准确度可达±0.2%,量程比为20∶1,性能稳定。腰轮流量计不受管道内流场畸变的影响,无需配置长的直管段。但该类标准表结构复杂、比较笨重,尤其是较大口径的该类装置体积庞大,在腰轮流量计大流量时还会产生较大噪声,甚至振动。因此,采用该类标准表的装置适用于中小气体流量的测量。
该类装置的组成、工作原理等与速度式标准表装置类似,不再赘述。
2. 4组合式标准表法气体流量标准装置
以临界流流量计、速度式流量计和容积式流量计为标准表的标准装置,在流量范围、装置能耗等方面各有特色。三类装置的性能比较如表1所示。
为了扬长避短,充分发挥各类流量仪表的特点,采用两种或两种以上不同类型的流量计作为标准表。该类标准装置共用一套被检流量计管路和一套控制系统。标准表管路按各类标准表要求独立设置呈并联形式,具有各自独立的气源系统。检测过程中根据检测流量点选择不同类型的标准表完成检测。
通常选用临界流流量计与速度式流量计组合以及容积式流量计与速度式流量计组合。考虑既要降低小流量的检测范围、又要节约运行费用这些因素,在小流量段采用临界流流量计作为标准表;在大流量段采用标准涡轮流量计拓展量程是常见的一种组合方式。有些装置也设计为喷嘴系统,能够校准标准涡轮流量计,实现了标准涡轮流量计的在线校准。
3不同气流回路系统的标准装置
由于负压法标准装置基本上采用空气为试验介质,试验中空气直接排入大气,所以气流回路系统比较简单。对于正压法标准装置,试验介质为压缩空气或工况实流介质(如:天然气、氮气等),考虑到试验气体压力的保持及试验气体排放的要求,其气流回路系统有闭环式和开环式两种类型。
3. 1闭环式标准表法气体流量标准装置
该类标准装置常选用速度式流量计或容积式流量计作为标准表。采用压缩空气作为试验介质,不存在防爆和试验气体排放问题,流量、压力调节更容易实现。其典型结构如图3所示。
空气压缩机、高压容器和高压鼓风机作为高压气源系统,将高压气体施加到试验管路中,高压鼓风机在预定的压力下设置流量。由于气体压力升高,管路内气体温度上升,利用热交换系统将管路中气体温度冷却并稳定控制[8],气体连续通过被检流量计和标准表系统,实现对被检流量计的检定/校准。试验管路呈闭环形式。闭环式高压气体标准装置是高压装置中相对投资低、建设容易、不受制于外部影响的装置。由于装置采用高压气源系统和热交换系统,装置的能耗明显高于负压法装置。
3. 2开环式标准表法气体流量标准装置
由于天然气的计量成为气体流量计应用于高压情况的一个重要方面,所以开环式高压标准表法气体流量标准装置一般都是依托一个天然气输送站,成为天然气输送站的一个旁路系统。对于天然气输送站的选择,应确保天然气的压力范围和流量范围能够满足标准装置的工作条件。开环式高压标准表法气体流量标准装置结构如图4所示。
装置主要由调压系统、标准表系统、被检流量计系统、量值传递系统和分流/旁路系统组成。天然气由输送管线进入,经过过滤分离器、压力调节器,检测用气经标准表管路和被检流量计管路后回至天然气输送管线,完成对被检流量计的检测。过余气量经分流调节阀直接进入流出管路。标准表系统一般采用涡轮流量计为标准表。在检测间歇,天然气不经过测试管道,可直接经旁路调节阀送回至输送管线。
由于是高压天然气标准装置,对于那些应用于天然气的流量仪表,实现了实流介质检定和校准。该类装置依托于天然气输送管线,不需要独立的气源系统,装置的流量调节受输送管线上下游压力的影响,试验气体的排放也受制于下游用户。
该类装置一般都建有原级标准装置、次级标准装置和工作标准装置等完善的量值传递体系,因此,投资巨大。
4结束语
标准表法气体流量标准装置是目前国内外普遍采用的次级流量标准装置。
负压法标准装置由于其经济性,被国内外各级实验室和流量仪表制造企业广泛采用,用来实现常压下气体流量计的检定和校准。随着天然气应用的迅速发展,天然气计量也备受关注。国际上主要的高压标准装置(正压法)多数是以天然气为试验介质,以满足天然气计量的要求,如加拿大的TCC、德国的Pigsar、荷兰的Westerbork等。我国在南京和四川华阳也建有高压天然气流量标准装置,其中南京的标准装置工作压力为4.5~9.6MPa,最大流量达到12 000m3/h[9]。
