詳解車載音速噴嘴氣體流量檢定系統(tǒng)

本文介紹了一種新型的車載氣體流量計檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計算機(jī)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流量計在工況條件下進(jìn)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(yùn)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(jī)直接進(jìn)行溫度、壓力修正，提高檢定準(zhǔn)確度。

一、簡介

Arkla管道集團(tuán)研究了一種車載音速噴嘴檢定裝置，可以在實(shí)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(shí)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(diǎn)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(jìn)一步增加。在這一點(diǎn)，氣體在噴嘴喉管處的運(yùn)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(jìn)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(jī)間、閥組間、空氣壓縮機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)，包括一臺IBM。386微機(jī)，其具有120兆硬盤32臺打印機(jī)和一個遠(yuǎn)程終端(RTU)。遠(yuǎn)程終端是微機(jī)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(jī)判定哪些噴嘴在工作狀態(tài)。來自空氣壓縮機(jī)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(jìn)口和出口的壓力(三點(diǎn)輸入)和閥進(jìn)口的溫度(一點(diǎn)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(jìn)行一次實(shí)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(jī)。計算機(jī)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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)。一個2.8kW單元驅(qū)動小的負(fù)載，如色譜儀、計算機(jī)和RTU。一個7kw電機(jī)帶動一個空氣壓縮機(jī)和空氣調(diào)節(jié)器。

5、一臺1hp的空壓機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口和2個出口。連接口用于連接進(jìn)口的溫度變送器和進(jìn)口、出口的壓力變送器。由于進(jìn)口壓力應(yīng)十分精確，一個進(jìn)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(dá)到第一個壓力變送器量程的95％時，計算機(jī)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(jìn)入噴嘴，再從殼體的4個管口流出進(jìn)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(biāo)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。