一種新型的車(chē)載音速?lài)娮鞖怏w流量檢定系統 Douglas E. Dodds 摘要：本文介紹了一種新型的車(chē)載氣體渦輪流量計檢定系統。該系統由計算機控制一臺數控噴嘴切換閥，可以根據流量計的口徑自動(dòng)選擇11個(gè)音速?lài)娮熘械娜我粋�(gè)對氣體渦輪流量計在工況條件下進(jìn)行檢定；同時(shí)該系統中還有一臺氣相色譜儀與音速?lài)娮旖Y合起來(lái)完成氣體質(zhì)量流量的運算。文章中還介紹了用音速?lài)娮鞕z定氣體渦輪流量計的質(zhì)量流量公式和客積流量公式，以及檢定系統的工藝流程圖。采用該系統檢定氣體渦輪流量計，可以由計算機直接進(jìn)行溫度、壓力修正，提高檢定準確度。 一、簡(jiǎn)介 Arkla管道集團研究了一種車(chē)載音速?lài)娮鞕z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。這種檢定系統與氣相色譜儀結合，完成氣體質(zhì)量流量計算�！ ∵@個(gè)檢定系統較過(guò)去的方法有很大的提高。在大多數情況下，在大氣壓下檢定的渦輪流量計用于工作狀態(tài)，原來(lái)的儀表常數將發(fā)生飄移。而采用音速?lài)娮煸趯?shí)際工作壓力、溫度條件下檢定克服了這一不足。另外，音速?lài)娮煜到y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�！ ≤�(chē)載檢定系統可以檢定整個(gè)渦輪計量系統，而不僅僅是檢定一臺渦輪流量計。這意味著(zhù)由脈動(dòng)引起的誤差可以被檢測出來(lái)，這是其它任何檢定系統所不能做到的。二、定 義 音速?lài)娮炝髁康幕径x是：在其它參數維持不變的情況下，當噴嘴下游的壓力降低到某一點(diǎn)時(shí)，即使下游壓力繼續下降，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動(dòng)速度為音速，被稱(chēng)為"臨界流"、"音速流"或稱(chēng)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(lái)。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，然而現在壓力降可以小到5％，而典型的壓降不會(huì )超過(guò)10％，即可以得到音速。三、車(chē)載檢定裝置的設備 1、一臺車(chē)載板房，將其間隔成微機間、閥組間、空氣壓縮機間和電源間。這樣可將危險區與非危險區分開(kāi)�！ �2、一個(gè)計算機控制系統，包括一臺IBM。386微機，其具有120兆硬盤(pán)32臺打印機和一個(gè)遠程終端(RTU)。遠程終端是微機與數控閥的接口，它有控制輸出、狀態(tài)輸入和模擬輸入控制輸出開(kāi)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)執行器由2個(gè)舌簧開(kāi)關(guān)提供狀態(tài)輸入信號，反映執行器的位置，由微機判定哪些噴嘴在工作狀態(tài)。來(lái)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(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，其在檢定系統中是一臺關(guān)鍵設備。氣相色譜儀每6min對氣體進(jìn)行一次實(shí)時(shí)組分分析，并將結果通過(guò)一個(gè)RS。232的通訊接口輸送到計算機。計算機應用分子百分量計算出用于質(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區的微機房?jì)�。色譜儀的取樣探頭安裝在危險區內的數控閥的管線(xiàn)上�！ �4、2個(gè)供電單元使檢定系統維持運轉。一個(gè)2.8kW單元驅動(dòng)小的負載，如色譜儀、計算機和RTU。一個(gè)7kw電機帶動(dòng)一個(gè)空氣壓縮機和空氣調節器�！ �5、一臺1hp的空壓機提供100lb/in2(表)壓力的空氣給數控閥的電磁閥，用以操作噴嘴。該氣源也用于開(kāi)動(dòng)小型的手動(dòng)工具�！ �6、連接管線(xiàn)，由2根口徑為4in，長(cháng)為14ft的撓型管連接被檢儀表和檢定系統。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(xiàn)。每一個(gè)連接頭都采用高壓快速接頭，管線(xiàn)的工作壓力為550lb/in2(表)。
7、數控切換閥，如圖1所示的數控閥重1100lb，它有11個(gè)供選擇的音速?lài)娮焱ǖ�，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)制控制給數控閥10bit的分辨率。結果是流量的增量階程為58．7Ac勛。RIU的電控信號控制著(zhù)氣動(dòng)電磁閥的開(kāi)關(guān)，同時(shí)又控制氣動(dòng)操作電磁閥以使音速?lài)娮爝M(jìn)入工作狀態(tài)。氣缸在閥的中間，其具有足夠的能量，即使空氣供應中斷仍可使閥門(mén)旋轉兩次�！ 悼亻y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)口壓力應十分精確，一個(gè)進(jìn)口應安裝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)。當壓力達到第一個(gè)壓力變送器量程的95％時(shí)，計算機將測壓儀表從第一個(gè)壓變轉換到第二個(gè)壓變。一次有一個(gè)噴嘴打開(kāi)，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，它是比熱值的函數(等炳流量常數)。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。在A(yíng)rkla的系統中，有代表性的天然氣估算的臨界流量系數值是0.7(無(wú)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(lái)的； Cd-流出系數，或實(shí)際質(zhì)量流量除以理論質(zhì)量流量得的數。簡(jiǎn)言之,它是噴嘴設計的效率,對不同的噴嘴它是不同的，并且是通過(guò)標定確定的。Arkla的噴嘴流出系數范圍為0.96-1.0(無(wú)量綱)； R-氣體常數，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-殼體內的溫度，R(℉+460)�！ ∪莘e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-殼體內的壓縮系數(R.C.Johnson，不是AGA)，是一個(gè)接近1的數值。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，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(guò)數控閥并送出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(lái)自渦輪流量計的脈沖發(fā)訊器和來(lái)自數控閥的質(zhì)量流量信號。需注意的是渦輪流量計的脈沖信號取自轉換齒輪下部。
圖2 檢定系統流程圖 當流量計旋轉一圈時(shí)，計算機測得裝在渦輪流量計上發(fā)訊盤(pán)發(fā)出的數據。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�！ ×髁坑嬘洈灯鞴潭ㄔ谧兯冽X輪頂部，根據儀表口徑不同，輸出軸每轉一圈記數器讀數是100或1000 Acf。對3-6in的流量計，記數器與輸出軸的比是100:1；因此，變速齒輪上面的輸出軸每轉一圈代表1ft3，對于8in或更大的流量計，記數器與輸出軸間的比是1000:1。流量計信號、中間齒輪、變速齒輪和記數器給出的結果是實(shí)際工況下的立方英尺流量(Acf)�！ 毫�、容積、溫度(PVT)圖表安裝在記數器的上部并用來(lái)校驗記數器�！ ∮嬎銠C輸入儀表溫度和壓力，并應用儀表測量的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控閥中獲取數據除以標準狀態(tài)下的密度值。在系統中流經(jīng)渦輪流量計而后又通過(guò)數控閥的氣體，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(zhù)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處的流量--這是因為閥進(jìn)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(mén)和流量計處的壓力和溫度都需要測量的原因�！ u輪流量計指示的Scfh和數控閥給出的Scfh之間的差即是渦輪流量計在該流量點(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(xiàn)是以實(shí)際流量對一個(gè)專(zhuān)門(mén)的儀表尺常數繪制的。通過(guò)輸入計算機一個(gè)不同的變速比可以很容易改變K常數(脈沖數/ft3)�！ 榱说玫阶钚〉恼`差，可以通過(guò)軟件程序應用不同尺寸的噴嘴，并可以通過(guò)改變齒輪傳動(dòng)比對渦輪流量計實(shí)現檢定。使用軟件程序可以節約時(shí)間并省力，而實(shí)際上代替了改變齒輪傳動(dòng)比并且可反復對流量計檢定，直到取得一個(gè)理想的結果。用10個(gè)不同流量點(diǎn)的檢定結果可以繪制出詳細的圖表。 六、結束語(yǔ) Arkla公司的車(chē)載音速?lài)娮鞖怏w流量檢定系統應用于檢定工作狀態(tài)下的渦輪流量計已有5年時(shí)間，并且已完成了3500多臺流量計的檢定。結果表明從未出現過(guò)氣體泄漏問(wèn)題，大大地提高了測量準確度。 編譯：潘兆柏
構成極低溫流體的物質(zhì)具有表1、表2所示的物理常數。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(kāi)始過(guò)程處理，并反復進(jìn)行加壓、減壓。在此過(guò)程中，飽和狀態(tài)的極低溫流體一會(huì )兒變?yōu)檫^(guò)冷狀態(tài)，一會(huì )兒變?yōu)榉序v狀態(tài)，狀態(tài)容易變化。因此，配管設計和流量計設計需要采取措施。 表1 低沸點(diǎn)物質(zhì)的物理常數 表2 液化天然氣成分物質(zhì)的物理常數
(2)有因濃縮而出現的物態(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加熱，所以，先從甲烷開(kāi)始蒸發(fā)，發(fā)生稱(chēng)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(shí)，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(diǎn)、拉伸強度、延伸率、節流、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(zhù)下降。因此，在極低溫下所使用的儀器的材料，應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(xiàn)。
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(xiàn) 表3低溫材料的機械性質(zhì)
(4)要求考慮因冷縮而產(chǎn)生的應力、間隙的變化后進(jìn)行設計。 低溫材料的物理性質(zhì)如表4所示。用這些材料設計測量?jì)x器時(shí)，必須充分考慮冷縮的影響。 (5)需要預冷 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(huì )產(chǎn)生異常應力，有被破壞的危險。因此，必須進(jìn)行預冷作業(yè)，冷卻到所定的溫度狀態(tài)然后開(kāi)始使用。 (6)必須注意因高凝固點(diǎn)物質(zhì)的凝固而產(chǎn)生故障 開(kāi)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(huì )增大可動(dòng)部分的摩擦，使過(guò)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 在氣液分界面內產(chǎn)生的對流，會(huì )出現微弱的脈動(dòng)現象，發(fā)生因煙霧而產(chǎn)生的故障。 流量測量?jì)x器的種類(lèi) 目前使用最多的極低溫流體的流量測量?jì)x器有孔板、渦街流量計、渦輪流量計三種。但是，各種流量計，根據其用途、測量范圍，也研制了很多不同的結構。因此，希望選擇儀器時(shí)，一定要在充分掌握各種儀器的特征的基礎上考慮價(jià)格。維護性能、要求精度、過(guò)程中測量場(chǎng)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(wèn)題都發(fā)生在流體的流量測量過(guò)程中。因此．這里主要說(shuō)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德國工業(yè)標準、美國機械工程師學(xué)會(huì )、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，如果測量時(shí)沒(méi)有異常的物性值變化，就能進(jìn)行圓滿(mǎn)的測量。 實(shí)際上在極低溫流體的流量測量中，孔板應用得最多，可靠性也高。但是，在進(jìn)行儀表設計時(shí)有幾個(gè)重要的事項需要注意，下面就加以敘述。 材料和結構 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(dòng)時(shí)，為把容易引起差壓的擺動(dòng)平滑化后進(jìn)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(lái)控制安裝處的漏濁，有時(shí)甚至需要停止設備運行。因此，要按照配管等級來(lái)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(guò)盈量要大，以防漏泄。同時(shí)，要將熱傳導率好的金屬插入螺絲的空間，使配管的冷縮不產(chǎn)生時(shí)間差。根據情況，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(shí)，用上述的薄片式的，有時(shí)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(shí)，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(xiàn)性。 4. 由于可以脈沖輸出，容易累積計算。 5. 很容易安裝導壓管。 結構和材料 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(pán)，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(cháng)管來(lái)安裝。但是，有時(shí)也可根據情況安裝散熱片。本體、三角柱、法蘭盤(pán)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，往往是根據將來(lái)的計劃來(lái)設計配管。當配管直徑很大或使用量增加之后，會(huì )出現測量精度變差、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(shuō)，可按照下面幾點(diǎn)來(lái)選定。 1. 最小流量的極限是這樣選取的：當流量低于這個(gè)極限時(shí)，流量信號變弱。按雷諾數劃分的話(huà)，雷諾數大約是2000。 2. 最大流量。換算為流速的話(huà)，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 結構和材料 渦輪流量計中裝有轉子和軸承等以高速轉動(dòng)的可動(dòng)部分、摩擦部分。因此，應充分了解其結構和處理方法，否則，使用時(shí)就不會(huì )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(jìn)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(méi)有潤滑性的液體，在選澤軸承時(shí)，要十分注意。通過(guò)實(shí)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(shí)，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，轉子將以比通常轉速快數十倍的速度旋轉。這樣軸承會(huì )在很短的時(shí)間內就被徹底磨壞。防止蒸發(fā)的最好方法是適當加大儀表的尺寸。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(shí)，壓力損失可下降到額定的1／4。 一股地說(shuō)，在間斷使用時(shí)，如將被測最大流量控制在儀表容量的70％以下，基本上不會(huì )產(chǎn)生因儀表本身的壓力損失而出現的故障。連續使用時(shí)，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 當流體是紊流時(shí)，轉子的轉速不受粘度和密度的影響。但是，當是層流時(shí)，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(gè)數量級。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(jìn)入中國工控168網(wǎng)查看更多的學(xué)習內容工控助手你學(xué)習的好幫手。工控168網(wǎng)祝您一路發(fā)。
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