DN600大口徑氣體流量計 標準裝置設計工藝詳解
為了向山西省“氣化山西”戰略實施提供技術支撐，有效推進四氣(天然氣、煤層氣、焦爐煤氣、煤制氣)合一工作，同時向企業提供過程檢測、氣體能源計量等氣體流量計的量值傳遞與溯源服務，山西省計量院積極開展了“DN600大口徑氣體流量標準裝置”的研制，該裝置采用音速噴嘴法和標準表法兼顧的工作方式，既可滿足科學研究需要的高準確度，又可滿足日常檢定的工作效率需要，同時具有較好的節能經濟性。裝置的流量范圍為(1-15000)m3/h，音速噴嘴法系統不確定度優于0.25% (k=2 )，標準表法系統不確定度為0.32oIo-0.35% (k=2)，被檢表口徑為DN 15mm-DN600mm。裝置的成功研制，填補了我國法制計量對DN600大口徑氣體流量檢測的空白，保障我國對上述各種流量計的檢定規程的有效實施。本文將著重從裝置的臨界流文丘里噴嘴法系統、標準表法系統、檢測管線系統、動力氣源系統、檢測控制系統、變頻控制系統、輔助系統、節能經濟性等方面，談一談裝置的技術工藝設計。
一、臨界流文丘里噴嘴法系統：
1.音速噴嘴的確定：
2.音速噴嘴法系統的設計：
裝置的設計方案要求音速噴嘴法系統擴展不確定度應達到Urel=0.25%（k=2），并保證在不同的流量點，噴嘴能在臨界流狀態下運行。 為確保在噴嘴喉部形成臨界流狀態，裝置達到系統的綜合不確定度技術要求，12只噴嘴采用了大空間安裝方式， 以保證檢測流量計時滯止容器內流場穩定、流速近似滯止狀態，
目前音速噴嘴法氣體標準裝置大多數是一套獨立的系統，只可對被檢流量計實施檢測。 由于本裝置是音速噴嘴法和標準表法一體化的氣體流量標準裝置， 音速噴嘴法檢測系統不僅可以檢測被檢流量計，同時具有對一體化裝置中的標準氣體渦輪流量計進行在線校準的功能，原理如圖1所示。
表1 噴嘴的流量范圍及數量
圖1 音速噴嘴法檢測原理圖
二、標準表法系統：
1.標準表法系統的設計：
檢測時，用高壓風機將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入，經過被檢表進入標準表組匯管，通過標準表后的流量調節閥控制檢測流量， 當流量穩定后，利用計算機采集標準氣體渦輪流量計組的流量，與采集到的被檢表的值進行比較和計算，實現被檢表在不同流量點下的檢測，原理如圖2所示。
表2 標準表組技術參數及數量
圖2 標準表法檢測原理圖
為了方便檢測工作，檢測管線系統可滿足各系統共用的同時，覆蓋了所有的被檢表口徑。 管線組設計5個工作 臺 位 ， 包 括14種 規 格 口 徑 ：DN15/20/25、DN40/50、DN80/100、DN150/200/250/300DN400/500/600。 在 檢測管線上安裝有氣動伸縮器，夾表臺位可以平穩移動和調整，
四、動力氣源系統：
1.臨界流噴嘴系統動力氣源的設計：
2.標準表法系統動力氣源的設計：
設計方案要求標準表法系統動力氣源的***大抽氣量要大于15000m3/h， 從設定***大流量點到流場穩定、具備檢定條件的準備時間應控制在3min內。
表3 真空泵的技術參數及數量
表4 高壓風機的技術參數及數量
根據設計方案要求，檢測控制系統所控制對象包括介質源系統、氣體流量檢定系統、流量組合選擇系統、 多媒體系統及其他設備。 要求控制系統可靠、高效，實現各子系統的測控和協調工作，完成檢測工作。檢測控制系統由控制子系統、數據采集子系統及軟件子系統3部分組成，如圖3所示。
1.控制子系統 控制真空泵吸口閥門、卸真空閥門、氣缸閥的選擇和開關;控制真空泵、空壓機等設備的啟停。
2.數據采集子系統 自動采集系統溫度、壓力、濕度等信號;自動采集被檢表的流量信號，包括電流(4~20)mA、直流電壓(1~5)V、脈沖信號、低頻信號等。
3.軟件子系統 自動檢測整套裝置氣密性和夾裝流量計后整套裝置的氣密性。對各種標準流量計、被檢流量計、溫度傳感器、壓力傳感器和其他設備進行參數設置。可以將噴嘴的組合流量或標準氣體渦輪流量計的組合流量和高壓風機的風量通過自動化控制系統和RS232/485接口傳輸到工控機上。能自動、手動選擇氣環真空泵及高壓風機，能監視動力中心的實時狀況。隨同檢測結果自動給出流量—誤差特性曲線。可對各種流量計按照檢定規程進行檢定、校準及檢測、數據處理、結果判定，并可打印設定格式的記錄及報告。
圖3檢測控制系統示意圖
六、變頻控制系統：
根據JJF1240-2010《臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置校準規范》的要求，裝置檢測時每個噴嘴必須做一次背壓比實驗，需要通過變頻方式來控制噴嘴的背壓比以完成檢測工作。而在使用標準表組檢測流量計時，動力源高壓風機所配電機的額定功率較大，檢測中風機需要較頻繁啟動，直接啟動電機，啟動電流過高不僅影響電機正常使用壽命，且對電網拖動過大，利用變頻器實現電機軟啟動、補償功率因素等功能來調節風機轉速，不僅減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，還可以延長設備和閥門的使用壽命，給設備提供過流、過壓、過載等保護，同時達到節能的目的。
本裝置中采用了變頻控制系統，分別對真空氣環泵與高壓風機在檢測過程中進行變頻調節，并加裝配套過濾器，用以消除對變頻器的干擾。
七、主要輔助系統：
1.輔助氣源系統的設計：
為確保各系統間快速有效的無泄漏連接與關閉同時減輕勞動強度、提高工作效率，本裝置還設計有壓縮氣泵、儲氣罐、氣動三聯件、連接管線、法蘭和閥門等，其中儲氣罐依據標準GB150-2011《固定式壓力容器》的要求設計，容積為1 m3，耐壓等級為10kg.
2.緩沖容器的設計：
為保證進入裝置的氣體相對穩定并在噴嘴喉部形成臨界流狀態，音速噴嘴法系統中增加了容積為2m3、厚度為6mm、帶有調壓功能的不銹鋼緩沖容器。
3.供電系統的設計 ：
本裝置的供電系統所采用的電氣設備可有效地將信號采集、處理線路和變頻泵等動力用電有效隔離。此外還可給現場裝置上所用的儀表、閥門、泵、電機等設備提供電源，提供的供電電源有:DC12V,1A;24V,0.5A;-12V ,0.5A。并且有過載、過壓、過流及漏電保護措施。
4.裝置中壓力和溫度的設計：
本裝置在被檢表、標準表的前后及滯止容器上分別安裝有0.05級的絕壓變送器和不確定度為0.10C的溫度變送器，檢測氣體介質的溫度及壓力在檢測過程中的變化并對流量測量值進行補償，同時計算噴嘴背壓比。滯止容器上的滯止壓力和滯止溫度均勻差不超過0.20C 。
5.計時器設計：
為了系統及時采集數據，累積流量數據準確，采用高準確度的計時器，其晶振準確度}1×10}，滿足8h的穩定度蕊1 x 10-，晶振可拆裝且帶有晶振信號輸出檢測口，便于計量檢定。
6.夾表裝置及伸縮器：
伸縮器采用外缸推動伸縮方式，伸縮量程可滿足各種類型長度的流量計。夾表裝置設計具有同心定位結構，可實現方便快速夾裝。
本裝置DN300以下設計用音速噴嘴法，DN300及以上口徑，設計用渦輪流量計標準表法，具有非常良好的節能經濟性。 一塊表檢30%、60%、100%3個點，各檢3次，按渦街流量計Vmax=35m/s，每個檢測點耗 時約15min，每塊表按耗時2h計算，分別采用標準表法風機氣源、音速噴嘴法氣環真空泵氣源、音速噴嘴法水環真空泵氣源等3種方法 （按1000m3/h工況流量估算氣源功率：風機18.5k W；氣環真空泵35k W；水環真空泵：45k W），能耗數據分析如表5所示。
