一種新型的車載音速噴嘴氣體流量檢定系統(tǒng) Douglas E. Dodds 摘要：本文介紹了一種新型的車載氣體渦輪流量計檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計算機控制一臺數(shù)控噴嘴切換閥，可以根據(jù)流量計的口徑自動選擇11個音速噴嘴中的任一個對氣體渦輪流量計在工況條件下進行檢定；同時該系統(tǒng)中還有一臺氣相色譜儀與音速噴嘴結(jié)合起來完成氣體質(zhì)量流量的運算。文章中還介紹了用音速噴嘴檢定氣體渦輪流量計的質(zhì)量流量公式和客積流量公式，以及檢定系統(tǒng)的工藝流程圖。采用該系統(tǒng)檢定氣體渦輪流量計，可以由計算機直接進行溫度、壓力修正，提高檢定準確度。 一、簡介 Arkla管道集團研究了一種車載音速噴嘴檢定裝置，可以在實際工作條件下檢定氣體渦輪流量計，檢定的流量計口徑在3-16 in。這種檢定系統(tǒng)與氣相色譜儀結(jié)合，完成氣體質(zhì)量流量計算。 這個檢定系統(tǒng)較過去的方法有很大的提高。在大多數(shù)情況下，在大氣壓下檢定的渦輪流量計用于工作狀態(tài)，原來的儀表常數(shù)將發(fā)生飄移。而采用音速噴嘴在實際工作壓力、溫度條件下檢定克服了這一不足。另外，音速噴嘴系統(tǒng)使用天然氣為介質(zhì)而不是空氣，也去掉了由空氣引入的誤差。 車載檢定系統(tǒng)可以檢定整個渦輪計量系統(tǒng)，而不僅僅是檢定一臺渦輪流量計。這意味著由脈動引起的誤差可以被檢測出來，這是其它任何檢定系統(tǒng)所不能做到的。二、定 義 音速噴嘴流量的基本定義是：在其它參數(shù)維持不變的情況下，當(dāng)噴嘴下游的壓力降低到某一點時，即使下游壓力繼續(xù)下降，也不會引起噴嘴喉管的質(zhì)量流量進一步增加。在這一點，氣體在噴嘴喉管處的運動速度為音速，被稱為"臨界流"、"音速流"或稱為"扼流"。氣體的質(zhì)量流量可以在噴嘴喉管被精確地確定出來。早期，需在噴嘴的進口和出口的壓力降低到50％時，才能獲得音速，然而現(xiàn)在壓力降可以小到5％，而典型的壓降不會超過10％，即可以得到音速。三、車載檢定裝置的設(shè)備 1、一臺車載板房，將其間隔成微機間、閥組間、空氣壓縮機間和電源間。這樣可將危險區(qū)與非危險區(qū)分開。 2、一個計算機控制系統(tǒng)，包括一臺IBM。386微機，其具有120兆硬盤32臺打印機和一個遠程終端(RTU)。遠程終端是微機與數(shù)控閥的接口，它有控制輸出、狀態(tài)輸入和模擬輸入控制輸出開關(guān)電磁氣動閥-每一個噴嘴有一個電磁閥。每一個執(zhí)行器由2個舌簧開關(guān)提供狀態(tài)輸入信號，反映執(zhí)行器的位置，由微機判定哪些噴嘴在工作狀態(tài)。來自空氣壓縮機的狀態(tài)輸入信號可以指示出空氣壓力是否降至751b／in2(表)以下，該壓力是數(shù)控閥的最小操作壓力。模擬輸人代表渦輪流量計的工作溫度和壓力(兩個輸入)、閥進口和出口的壓力(三點輸入)和閥進口的溫度(一點輸入)。 3、一臺Daniel氣體色譜儀，其在檢定系統(tǒng)中是一臺關(guān)鍵設(shè)備。氣相色譜儀每6min對氣體進行一次實時組分分析，并將結(jié)果通過一個RS。232的通訊接口輸送到計算機。計算機應(yīng)用分子百分量計算出用于質(zhì)量公式的兩個可變量。氣體色譜儀條型記錄儀和控制器安裝在非危險區(qū)的微機房內(nèi)。色譜儀的取樣探頭安裝在危險區(qū)內(nèi)的數(shù)控閥的管線上。 4、2個供電單元使檢定系統(tǒng)維持運轉(zhuǎn)。一個2.8kW單元驅(qū)動小的負載，如色譜儀、計算機和RTU。一個7kw電機帶動一個空氣壓縮機和空氣調(diào)節(jié)器。 5、一臺1hp的空壓機提供100lb/in2(表)壓力的空氣給數(shù)控閥的電磁閥，用以操作噴嘴。該氣源也用于開動小型的手動工具。 6、連接管線，由2根口徑為4in，長為14ft的撓型管連接被檢儀表和檢定系統(tǒng)。一根連接被檢表到檢定裝置的進口，另一根連接檢定裝置出口到返回管線。每一個連接頭都采用高壓快速接頭，管線的工作壓力為550lb/in2(表)。
7、數(shù)控切換閥，如圖1所示的數(shù)控閥重1100lb，它有11個供選擇的音速噴嘴通道，其以二進制方式控制。由于最大的兩個噴嘴分為最大通道功能和邏輯控制。二進制控制給數(shù)控閥10bit的分辨率。結(jié)果是流量的增量階程為58．7Ac勛。RIU的電控信號控制著氣動電磁閥的開關(guān)，同時又控制氣動操作電磁閥以使音速噴嘴進入工作狀態(tài)。氣缸在閥的中間，其具有足夠的能量，即使空氣供應(yīng)中斷仍可使閥門旋轉(zhuǎn)兩次。 數(shù)控閥體上有4個連接孔：2個進口和2個出口。連接口用于連接進口的溫度變送器和進口、出口的壓力變送器。由于進口壓力應(yīng)十分精確，一個進口應(yīng)安裝2個壓力變送器，其量程范圍分別是0-75lb/in2(表)和0-200lb/in2(表)。當(dāng)壓力達到第一個壓力變送器量程的95％時，計算機將測壓儀表從第一個壓變轉(zhuǎn)換到第二個壓變。一次有一個噴嘴打開，氣體從入口進入噴嘴，再從殼體的4個管口流出進入外殼體，然后流出閥體。 四、基本流量公式 檢定裝置計算質(zhì)量流量用以下公式
式中: M-工況狀態(tài)下的質(zhì)量流量，lb； P-殼體內(nèi)壓力，1b/in2(絕)； A-噴嘴喉部的截面積，in2；Arkla噴嘴直徑的范圍為0.0620-0.9941in，因此，其面積范圍約為0.003-0.776in2； C-臨界流量系數(shù)，它是比熱值的函數(shù)(等炳流量常數(shù))。它是一個與氣體流動狀態(tài)下的氣體聲速有關(guān)的參數(shù)。在Arkla的系統(tǒng)中，有代表性的天然氣估算的臨界流量系數(shù)值是0.7(無量綱)。該值 與壓力和溫度有關(guān)。C是用色譜儀分析計算出的分子百分量計算而來的； Cd-流出系數(shù)，或?qū)嶋H質(zhì)量流量除以理論質(zhì)量流量得的數(shù)。簡言之,它是噴嘴設(shè)計的效率,對不同的噴嘴它是不同的，并且是通過標定確定的。Arkla的噴嘴流出系數(shù)范圍為0.96-1.0(無量綱)； R-氣體常數(shù)，其值是48.03除以氣體分子量;由氣相色譜儀分析計算的被測氣體的分子量也用于此; T-殼體內(nèi)的溫度，R(℉+460)。 容積流量是質(zhì)量流量除以密度，密度等于P/ZRT，容積流量用下式計算：
式中: V-容積流量； Z-殼體內(nèi)的壓縮系數(shù)(R.C.Johnson，不是AGA)，是一個接近1的數(shù)值。氣相色譜儀分析計算的分子量和氣體組分可以用于此； Rv-氣體常數(shù)，等于2.398除以氣體分子量。氣相色譜儀計算的分子量也用于此。R和Rv已被調(diào)整為工程單位。 五、檢定工藝流程 氣體流經(jīng)渦輪流量計，然后經(jīng)過數(shù)控閥并送出4個信號，如圖2所示。測量氣體壓力和溫度的兩個信號，另外2個脈沖信號來自渦輪流量計的脈沖發(fā)訊器和來自數(shù)控閥的質(zhì)量流量信號。需注意的是渦輪流量計的脈沖信號取自轉(zhuǎn)換齒輪下部。
圖2 檢定系統(tǒng)流程圖 當(dāng)流量計旋轉(zhuǎn)一圈時，計算機測得裝在渦輪流量計上發(fā)訊盤發(fā)出的數(shù)據(jù)。第一級齒輪是中間變速輪，對于Rockwell渦輪流量計和American流量計，它們的輸入輸出比為122.0555-l。第二級齒輪是變速齒輪，其輸入輸出比在1和2比1之間。 流量計記數(shù)器固定在變速齒輪頂部，根據(jù)儀表口徑不同，輸出軸每轉(zhuǎn)一圈記數(shù)器讀數(shù)是100或1000 Acf。對3-6in的流量計，記數(shù)器與輸出軸的比是100:1；因此，變速齒輪上面的輸出軸每轉(zhuǎn)一圈代表1ft3，對于8in或更大的流量計，記數(shù)器與輸出軸間的比是1000:1。流量計信號、中間齒輪、變速齒輪和記數(shù)器給出的結(jié)果是實際工況下的立方英尺流量(Acf)。 壓力、容積、溫度(PVT)圖表安裝在記數(shù)器的上部并用來校驗記數(shù)器。 計算機輸入儀表溫度和壓力，并應(yīng)用儀表測量的Acfh計算出Scfh(標準A3/h)；以lb為單位的質(zhì)量流量是計算機從數(shù)控閥中獲取數(shù)據(jù)除以標準狀態(tài)下的密度值。在系統(tǒng)中流經(jīng)渦輪流量計而后又通過數(shù)控閥的氣體，其質(zhì)量流量在各處都是一個常量。 然而，以實際立方英尺的容積流量隨著氣體的組分、溫度、壓力而改變。因此，在閥體的容積流量與渦輪流量計處的容積流量不同。對于一定的質(zhì)量流量，當(dāng)氣體密度增加時，實際容積流量(Acfh)減小。閥體中的容積流量高于其在渦輪流量計處的流量--這是因為閥進口的壓力低于渦輪流量計處的壓力，使流體流速略有升高。這就是為什么閥門和流量計處的壓力和溫度都需要測量的原因。 渦輪流量計指示的Scfh和數(shù)控閥給出的Scfh之間的差即是渦輪流量計在該流量點的誤差。該誤差是相對于百分流量繪制的百分誤差。這個百分儀表誤差曲線是以實際流量對一個專門的儀表尺常數(shù)繪制的。通過輸入計算機一個不同的變速比可以很容易改變K常數(shù)(脈沖數(shù)/ft3)。 為了得到最小的誤差，可以通過軟件程序應(yīng)用不同尺寸的噴嘴，并可以通過改變齒輪傳動比對渦輪流量計實現(xiàn)檢定。使用軟件程序可以節(jié)約時間并省力，而實際上代替了改變齒輪傳動比并且可反復(fù)對流量計檢定，直到取得一個理想的結(jié)果。用10個不同流量點的檢定結(jié)果可以繪制出詳細的圖表。 六、結(jié)束語 Arkla公司的車載音速噴嘴氣體流量檢定系統(tǒng)應(yīng)用于檢定工作狀態(tài)下的渦輪流量計已有5年時間，并且已完成了3500多臺流量計的檢定。結(jié)果表明從未出現(xiàn)過氣體泄漏問題，大大地提高了測量準確度。 編譯：潘兆柏
構(gòu)成極低溫流體的物質(zhì)具有表1、表2所示的物理常數(shù)。這些流體通常以飽和狀態(tài)儲存在絕熱的儲存容器里。用泵升壓、送出，開始過程處理，并反復(fù)進行加壓、減壓。在此過程中，飽和狀態(tài)的極低溫流體一會兒變?yōu)檫^冷狀態(tài)，一會兒變?yōu)榉序v狀態(tài)，狀態(tài)容易變化。因此，配管設(shè)計和流量計設(shè)計需要采取措施。 表1 低沸點物質(zhì)的物理常數(shù) 表2 液化天然氣成分物質(zhì)的物理常數(shù)
(2)有因濃縮而出現(xiàn)的物態(tài)變化 液化天然氣是由表2所示的物質(zhì)而組成的混合物。由于從外部向儲存容器或配管內(nèi)加熱，所以，先從甲烷開始蒸發(fā)，發(fā)生稱為濃縮的如圖1所示那樣的成分變化。液化天然氣的成分物質(zhì)甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液態(tài)密度如圖2所示。由于濃縮，液化天然氣的液態(tài)密度變大，所以，測量流量時，必須修正密度。 (3)對材料有限制 金屬材料在極低溫下的屈服點、拉伸強度、延伸率、節(jié)流、沖擊試驗值等機械性質(zhì)與常溫下有很大不同，在極低溫下，金屬材料的拉伸強度上升，但延展性降低，沖擊值也隨材料而顯著下降。因此，在極低溫下所使用的儀器的材料，應(yīng)是有充分抗破壞韌性的材料，使之不引起脆性破壞，這些材料就叫做低溫材料。但是，現(xiàn)在使用的最一般的材料有：不銹鋼、鋁合金、90％的鎳鋼、35％的鎳鋼(鎳鐵合金)。表3示出了低溫材料的機械性質(zhì)。圖3還示出了不銹鋼的恰貝遷移溫度曲線。
圖1液化天然氣的濃縮 圖2 液化天然氣成分的液態(tài)密度
圖3不銹鋼的恰貝遷移溫度遷移曲線 表3低溫材料的機械性質(zhì)
(4)要求考慮因冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力、間隙的變化后進行設(shè)計。 低溫材料的物理性質(zhì)如表4所示。用這些材料設(shè)計測量儀器時，必須充分考慮冷縮的影響。 (5)需要預(yù)冷 如果使極低溫流體急劇地流入處于溫暖狀態(tài)的配管和儀器的局部，則不能控制從法蘭漏出極低溫流體，這樣，配管和儀器會產(chǎn)生異常應(yīng)力，有被破壞的危險。因此，必須進行預(yù)冷作業(yè)，冷卻到所定的溫度狀態(tài)然后開始使用。 (6)必須注意因高凝固點物質(zhì)的凝固而產(chǎn)生故障 開始使用前．如果不消除空氣、油分，那么，在極低溫下，固化的水分，油分，二氧化碳等會增大可動部分的摩擦，使過濾器堵塞，發(fā)生效障。 表4低溫材料的物理性質(zhì)
(7)在氣液分界面引起對流 在氣液分界面內(nèi)產(chǎn)生的對流，會出現(xiàn)微弱的脈動現(xiàn)象，發(fā)生因煙霧而產(chǎn)生的故障。 流量測量儀器的種類 目前使用最多的極低溫流體的流量測量儀器有孔板、渦街流量計、渦輪流量計三種。但是，各種流量計，根據(jù)其用途、測量范圍，也研制了很多不同的結(jié)構(gòu)。因此，希望選擇儀器時，一定要在充分掌握各種儀器的特征的基礎(chǔ)上考慮價格。維護性能、要求精度、過程中測量場所的特征。 極低溫流體以液體和氣體兩種狀態(tài)存在，但幾乎所有的問題都發(fā)生在流體的流量測量過程中。因此．這里主要說明極低溫液體的流量測量。 孔板 用孔板測量流體的方法是根據(jù)德國工業(yè)標準、美國機械工程師學(xué)會、日本工業(yè)標準等的標準確定的。由于其使用效果好，所以，極低溫流體在以上述標準定義的物性值的范圍內(nèi)，如果測量時沒有異常的物性值變化，就能進行圓滿的測量。 實際上在極低溫流體的流量測量中，孔板應(yīng)用得最多，可靠性也高。但是，在進行儀表設(shè)計時有幾個重要的事項需要注意，下面就加以敘述。 材料和結(jié)構(gòu) 1. 材料采用SUS316L。焊接噴嘴使用低炭焊接棒是安全的。 2. 極低溫流體在飽和狀態(tài)下流動時，為把容易引起差壓的擺動平滑化后進行測量，希望取壓型式用角接取壓。 3. 為了減少由于冷縮而引起的孔板漏濁，可將孔板和環(huán)室作成一體。 4. 對于測量高壓配管或泵流用的孔板，難以用夾緊的辦法來控制安裝處的漏濁，有時甚至需要停止設(shè)備運行。因此，要按照配管等級來提高孔板安裝位置的法蘭和螺絲的等級，這種方法比通常用的過盈量要大，以防漏泄。同時，要將熱傳導(dǎo)率好的金屬插入螺絲的空間，使配管的冷縮不產(chǎn)生時間差。根據(jù)情況，也有選擇螺絲的冷縮率比孔板大的。 5. 在口徑較大的配管上安裝孔板時，用上述的薄片式的，有時不能控制漏泄。要使用帶有法蘭的孔板或焊接式孔扳。 2)孔板設(shè)計 渦街流量計 特征 渦街流量計用于極低溫流體的流量測量時，一般特征如下： 1. 壓力損失比較小。即使是極低溫的流體，其蒸發(fā)量也少，可以高精度測量。 2. 量程范圍大。 3. 由于是檢測流速，所以，流量和輸出的關(guān)系為線性。 4. 由于可以脈沖輸出，容易累積計算。 5. 很容易安裝導(dǎo)壓管。 結(jié)構(gòu)和材料 為了減少熱收縮等原因產(chǎn)生的漏液的可能性，主體一般裝有法蘭盤，而不用螺紋接頭。 為了避免冷熱的影響，前置放大器部分采用加長管來安裝。但是，有時也可根據(jù)情況安裝散熱片。本體、三角柱、法蘭盤需使用低溫材料SUS316。 流量測量范圍 通常希望流量計的口徑與普通配管直徑一致。但是，往往是根據(jù)將來的計劃來設(shè)計配管。當(dāng)配管直徑很大或使用量增加之后，會出現(xiàn)測量精度變差、甚至不能測量的情況。在這種情況下，必須按測量范圍選用渦街流量計以及前后安裝的整流器以使口徑一致。一般地說，可按照下面幾點來選定。 1. 最小流量的極限是這樣選取的：當(dāng)流量低于這個極限時，流量信號變?nèi)酢０蠢字Z數(shù)劃分的話，雷諾數(shù)大約是2000。 2. 最大流量。換算為流速的話，取6米／秒。取該值的原因是一方面在流量計的檢測部分壓力損失增加，流體在該處急劇蒸發(fā)，另一方面它是渦街流量測量的極限值。 渦輪流量計 結(jié)構(gòu)和材料 渦輪流量計中裝有轉(zhuǎn)子和軸承等以高速轉(zhuǎn)動的可動部分、摩擦部分。因此，應(yīng)充分了解其結(jié)構(gòu)和處理方法，否則，使用時就不會發(fā)揮其特性。 一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低溫材料。如能進行奧氏體化處理，SUS304也可使用。 軸承是渦輪流量計的最重要部分，達部分決定其特性、耐久性。如果被測流體是沒有潤滑性的液體，在選澤軸承時，要十分注意。通過實驗證明，測量液化天然氣用的渦輪流量計可以使用AISI 440C不銹鋼的滾珠軸承。 流量范圍 用渦輪流量計測量極低溫流體時，最容易發(fā)生的故障是因儀表的壓力損失而引起的急劇蒸發(fā)。儀表中形成急劇蒸發(fā)后，轉(zhuǎn)子將以比通常轉(zhuǎn)速快數(shù)十倍的速度旋轉(zhuǎn)。這樣軸承會在很短的時間內(nèi)就被徹底磨壞。防止蒸發(fā)的最好方法是適當(dāng)加大儀表的尺寸。渦輪流量計的壓力損失與流量的平方成正比，如能將被測最大流量限制在儀表容量的1／2時，壓力損失可下降到額定的1／4。 一股地說，在間斷使用時，如將被測最大流量控制在儀表容量的70％以下，基本上不會產(chǎn)生因儀表本身的壓力損失而出現(xiàn)的故障。連續(xù)使用時，要將常用流量限制在儀表容量的50％以下。這就需要將軸承的檢查周期取為一年以上。 粘度的影響 當(dāng)流體是紊流時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不受粘度和密度的影響。但是，當(dāng)是層流時，就要受影響。因此，在流量小的地方，可測量的流體的密度和流量之間存在一定的極限。液化天然氣等極低溫流體和汽油相比，粘度小一個數(shù)量級。因此，就可以用汽油檢定，保證得到量程以上的值。 大家還可以進入中國工控168網(wǎng)查看更多的學(xué)習(xí)內(nèi)容工控助手你學(xué)習(xí)的好幫手。工控168網(wǎng)祝您一路發(fā)。
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