一種新型的車載音速噴嘴氣體流量檢定系統(tǒng)

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(jì)，檢定的流量計(jì)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(jì)算。
這個(gè)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(jì)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(gè)渦輪計(jì)量系統(tǒng)，而不僅僅是檢定一臺渦輪流量計(jì)。這意味著由脈動(dòng)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(shí)，即使下游壓力繼續(xù)下降，也不會(huì)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(dòng)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(shí)，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(huì)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(xiǎn)區(qū)與非危險(xiǎn)區(qū)分開。
2、一個(gè)計(jì)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(gè)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(dòng)閥-每一個(gè)噴嘴有一個(gè)電磁閥。每一個(gè)執(zhí)行器由2個(gè)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(jì)的工作溫度和壓力(兩個(gè)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(shí)組分分析，并將結(jié)果通過一個(gè)RS。232的通訊接口輸送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用分子百分量計(jì)算出用于質(zhì)量公式的兩個(gè)可變量。氣體色譜儀條型記錄儀和控制器安裝在非危險(xiǎn)區(qū)的微機(jī)房內(nèi)。色譜儀的取樣探頭安裝在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的數(shù)控閥的管線上。
4、2個(gè)供電單元使檢定系統(tǒng)維持運(yùn)轉(zhuǎn)。一個(gè)2.8kW單元驅(qū)動(dòng)小的負(fù)載，如色譜儀、計(jì)算機(jī)和RTU。一個(gè)7kw電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)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(dòng)小型的手動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)電磁閥的開關(guān)，同時(shí)又控制氣動(dòng)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(gè)連接孔：2 個(gè)進(jìn)口和2個(gè)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(gè)進(jìn)口應(yīng)安裝2個(gè)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(gè)壓力變送器量程的95％時(shí)，計(jì)算機(jī)將測壓儀表從第一個(gè)壓變轉(zhuǎn)換到第二個(gè)壓變。一次有一個(gè)噴嘴打開，氣體從入口進(jìn)入噴嘴，再從殼體的4個(gè)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(jì)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(gè)與氣體流動(dòng)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(jì)算出的分子百分量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(gè)接近1的數(shù)值。氣相色譜儀分析計(jì)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(jì)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(jì)，然后經(jīng)過數(shù)控閥并送出4個(gè)信號，如圖2所示。測量氣體壓力和溫度的兩個(gè)信號，另外2個(gè)脈沖信號來自渦輪流量計(jì)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(jì)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(jì)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，計(jì)算機(jī)測得裝在渦輪流量計(jì)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(jì)和American流量計(jì)，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(jì)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(jì)，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(jì)，記數(shù)器與輸出軸間的比是1000:1。流量計(jì)信號、中間齒輪、變速齒輪和記數(shù)器給出的結(jié)果是實(shí)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(yàn)記數(shù)器。
計(jì)算機(jī)輸入儀表溫度和壓力，并應(yīng)用儀表測量的Acfh計(jì)算出Scfh(標(biāo)準(zhǔn)A3/h)；以lb為單位的質(zhì)量流量是計(jì)算機(jī)從數(shù)控閥中獲取數(shù)據(jù)除以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度值。在系統(tǒng)中流經(jīng)渦輪流量計(jì)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(gè)常量。
然而，以實(shí)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(jì)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(shí)，實(shí)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(jì)處的流量--這是因?yàn)殚y進(jìn)口的壓力低于渦輪流量計(jì)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(jì)處的壓力和溫度都需要測量的原因。
渦輪流量計(jì)指示的Scfh和數(shù)控閥給出的Scfh之間的差即是渦輪流量計(jì)在該流量點(diǎn)的誤差。該誤差是相對于百分流量繪制的百分誤差。這個(gè)百分儀表誤差曲線是以實(shí)際流量對一個(gè)專門的儀表尺常數(shù)繪制的。通過輸入計(jì)算機(jī)一個(gè)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(dòng)比對渦輪流量計(jì)實(shí)現(xiàn)檢定。使用軟件程序可以節(jié)約時(shí)間并省力，而實(shí)際上代替了改變齒輪傳動(dòng)比并且可反復(fù)對流量計(jì)檢定，直到取得一個(gè)理想的結(jié)果。用10個(gè)不同流量點(diǎn)的檢定結(jié)果可以繪制出詳細(xì)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(jì)已有5年時(shí)間，并且已完成了3500多臺流量計(jì)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(zhǔn)確度。