國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

雷 陽

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

（2 國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心，福建 福州 350003）

國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究

雷 陽1,2

（1 福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

（2 國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心，福建 福州 350003）

國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心的建立對深入開展以空氣、蒸汽等為介質(zhì)的氣體流量計(jì)量具有重要的意義。文中從裝置結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)特色等幾個(gè)方面，詳細(xì)介紹了國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心的蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置、15000L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

蒸汽；鐘罩；音速噴嘴；氣體流量

1 引言

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，氣體能源輸送、供氣供暖工程和工業(yè)廢氣排放等大型管道的使用日益增多，對大流量、大口徑氣體流量儀表的需求量逐年增大。同時(shí)，很多企業(yè)對以蒸汽等為介質(zhì)的氣體流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流檢測的要求也愈發(fā)強(qiáng)烈[1-3]。無論大流量、大口徑還是實(shí)流檢測，對計(jì)量部門都提出了新的挑戰(zhàn)。不僅要提升氣體流量計(jì)量技術(shù)水平，建設(shè)流量范圍更寬、口徑范圍更廣、準(zhǔn)確度等級(jí)更高、種類各全面的標(biāo)準(zhǔn)裝置，還必須配備與其工作任務(wù)相適應(yīng)的計(jì)量檢定人員和計(jì)量管理人員以及能保證工作正常進(jìn)行的工作環(huán)境等，從而更好地開展氣體流量計(jì)的量值傳遞、型式評(píng)價(jià)和相關(guān)檢測技術(shù)的研究。

面對氣體流量計(jì)量檢測需求帶來的挑戰(zhàn)，國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心近年來投入了大量的人力、物力進(jìn)行探索研究，已建成蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置、15000L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前均已通過中國計(jì)量科學(xué)研究院的檢定、校準(zhǔn)。

2 蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置以過熱蒸汽為介質(zhì)，采用質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對蒸汽流量儀表的實(shí)流檢定。裝置主要由汽源系統(tǒng)、調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、檢定管路系統(tǒng)、冷凝稱重系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，并配備高精度的溫度變送器和壓力變送器。

蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。汽源為電廠發(fā)電后的蒸汽，最大流量可達(dá)30t/h，滿足檢定的要求。汽源首先經(jīng)過調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)，然后進(jìn)入穩(wěn)壓罐或直接進(jìn)入檢定管路，再通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)表法直接將蒸汽排空，比較相同狀態(tài)下通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)的蒸汽流量。質(zhì)量法將一定時(shí)間內(nèi)通過被檢流量計(jì)的蒸汽送入換熱器冷凝，對冷凝水進(jìn)行稱重計(jì)量，稱重獲得的冷凝水質(zhì)量與通過被檢流量計(jì)的蒸汽質(zhì)量進(jìn)行比較，完成對蒸汽流量計(jì)的檢定。

該裝置可開展DN300以下的渦街、渦輪、超聲波、彎管等各種蒸汽流量計(jì)的檢定、校準(zhǔn)和檢測工作，為提高蒸汽流量計(jì)量技術(shù)提供了試驗(yàn)平臺(tái)。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）檢定介質(zhì)：水蒸氣；

（2）測量范圍：（0.01～30）t/h；

（3）測量口徑：DN15～DN300十條管線；

（4）流量穩(wěn)定性：

質(zhì)量法0.2%；

標(biāo)準(zhǔn)表法0.3%；

（5）擴(kuò)展不確定度：

2.3 技術(shù)特色

蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置采用質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的技術(shù)方案，客戶可根據(jù)需要靈活選擇檢定和校準(zhǔn)方法，提高檢定效率。當(dāng)準(zhǔn)確度要求較高時(shí)可選擇質(zhì)量法，當(dāng)滿足準(zhǔn)確度要求并且考慮成本因素時(shí)可選擇標(biāo)準(zhǔn)表法。此外，還可以采用質(zhì)量法對標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行自檢。

蒸汽介質(zhì)的狀態(tài)可以得到有效調(diào)控。蒸汽汽源首先進(jìn)入調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)和穩(wěn)壓罐，使得蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置具備克服企業(yè)蒸汽管網(wǎng)上的負(fù)荷變化對氣源擾動(dòng)的能力。檢定管路的前端安裝氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥，后端安裝氣動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，能夠相互配合精確調(diào)節(jié)管路中的蒸汽溫度、壓力，也便于今后開展不同熱力學(xué)參數(shù)對蒸汽流量計(jì)性能影響的相關(guān)研究。

3 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)置以空氣為檢定介質(zhì)，并配有穩(wěn)定的恒壓源[4]。國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心的15000L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由鐘罩、液槽、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、檢定管路系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，空氣通過水箱進(jìn)入鐘罩，使得鐘罩提升。當(dāng)鐘罩上升到限位高度時(shí)，風(fēng)機(jī)和閥門自動(dòng)關(guān)閉。待鐘罩內(nèi)壓力、溫度穩(wěn)定后，打開檢定管路閥門，鐘罩內(nèi)氣體通過檢定管路流經(jīng)被檢流量計(jì)排出，期間鐘罩以穩(wěn)定速度下降。檢定結(jié)束后，通過光電編碼器讀取鐘罩在檢定時(shí)間內(nèi)下降的位移，根據(jù)鐘罩橫截面積計(jì)算排出氣體的體積，除以檢定時(shí)間即得檢定時(shí)間內(nèi)的氣體流量。

3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）檢定介質(zhì)：空氣；

（2）最大流量：900m3/h；

（3）鐘罩內(nèi)壓力：5000Pa；

（4）壓力波動(dòng)：15Pa；

（5）裝置檢定段的標(biāo)準(zhǔn)容積值：

V=15026L；

（6）測量口徑：

DN25～DN200六條管線；

DN50～DN200三條立式管線；

3.3 技術(shù)特色

國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心的15000L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置全部采用304不銹鋼材料制作，鐘罩直徑達(dá)2.65m，鐘罩提升后總高度達(dá)9m。由于加工成型后長途運(yùn)輸困難，且容易變形，所以只能由生產(chǎn)廠家運(yùn)送不銹鋼板原材料至實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)加工。鐘罩的焊接、卷軋、拋光直至加工成型全部在實(shí)驗(yàn)車間內(nèi)完成，工作量大，加工難度高。

由于鐘罩容積較大，在補(bǔ)償、導(dǎo)向的設(shè)計(jì)上采取了多立柱、多導(dǎo)向、多補(bǔ)償?shù)男滦徒Y(jié)構(gòu)。將四個(gè)補(bǔ)償輪布置在四個(gè)立柱外側(cè)，既避免了鐘罩高度過高，也增強(qiáng)了鐘罩上升、下降的平穩(wěn)性。為了進(jìn)一步降低鐘罩下降過程中的壓力波動(dòng)，還專門設(shè)計(jì)了鐘罩的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。立柱上端經(jīng)平面軸承和立柱徑向定位機(jī)構(gòu)裝配在上橫梁上，立柱下端由調(diào)整緊定錐體及其定位部支撐。通過調(diào)整立柱上、下端中心距使立柱與鐘罩滑座得到最佳滑動(dòng)配合狀態(tài)，機(jī)械摩擦較小，且摩擦均勻一致。

在檢定過程中應(yīng)盡量保持鐘罩內(nèi)各處溫度以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)室溫度一致，而風(fēng)機(jī)送風(fēng)則會(huì)使鐘罩內(nèi)空氣的溫度發(fā)生改變。為此，一方面在鐘罩的進(jìn)氣管路上增加恒溫措施，通過恒溫?fù)Q熱水箱，使進(jìn)入鐘罩內(nèi)的氣體溫度得到有效控制，另一方面，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配備恒溫恒濕空調(diào)，保證鐘罩內(nèi)氣體溫度與實(shí)驗(yàn)室溫度基本一致。

圖2 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

此外，15000L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的DN200檢定管路與負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置聯(lián)通，可實(shí)現(xiàn)鐘罩對噴嘴的直接校驗(yàn)、比對。

4 負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

4.1 裝置結(jié)構(gòu)

負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由整流器、檢定管路、音速噴嘴、滯止容器、出口容器和真空泵等構(gòu)成，如圖3所示。空氣在通過音速噴嘴時(shí)，若音速噴嘴的上、下游壓力比達(dá)到某一定值，氣體在噴嘴處形成臨界流，質(zhì)量流量達(dá)最大值。此時(shí)，氣體的質(zhì)量流量只與音速噴嘴入口處的溫度和壓力有關(guān)，該溫度和壓力也稱為滯止溫度和滯止壓力[5]。

通過自動(dòng)控制系統(tǒng)采集滯止溫度和滯止壓力，可計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)通過音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量。將該流量作為標(biāo)準(zhǔn)流量，與通過被檢流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量比較，從而實(shí)現(xiàn)對氣體流量計(jì)的檢定和校準(zhǔn)。

負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置安裝音速噴嘴26個(gè)，其中最小的音速噴嘴設(shè)計(jì)流量0.5m3/h，最大的音速噴嘴設(shè)計(jì)流量1024m3/h。根據(jù)檢定流量的大小，控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇閥門進(jìn)行不同的噴嘴組合。裝置采用4臺(tái)羅茨真空泵與1臺(tái)水環(huán)真空泵組合，并為真空泵配備冷卻循環(huán)水池。

4.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）檢定介質(zhì)：空氣；

（2）流量范圍：（0.5～16000）m3/h；

（3）測量口徑：DN25～DN500七條管線；

（5）裝置流量穩(wěn)定性：0.1%。

4.3 技術(shù)特色

裝置噴嘴采用入口上游大空間安裝方式（如圖4），即距離噴嘴入口5倍喉徑范圍內(nèi)無容器壁。在滯止容器壁上均勻布置溫度和壓力測量點(diǎn)。針對該安裝方式，專門設(shè)計(jì)了一套特制法蘭，噴嘴與法蘭的接觸部位設(shè)計(jì)由柔性極好的橡膠充填，提高了減震降噪性能。

圖3 負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 噴嘴大空間安裝示意圖

整套負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)置在一封閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)?？諝馔ㄟ^檢定管路和被檢流量計(jì)進(jìn)入滯止容器后，流經(jīng)音速噴嘴組、出口容器、緩沖罐、真空泵等最后排放到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，然后進(jìn)入地下氣體回收冷卻通道，重新進(jìn)入裝置的進(jìn)氣口，循環(huán)使用，避免在大流量時(shí)吸入實(shí)驗(yàn)室以外不同溫度氣體，使氣體溫度變化太大，影響檢測效果。

然而，當(dāng)流量較大時(shí)，真空泵的總功率較大，運(yùn)行時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生大量的熱，會(huì)隨著檢定工作時(shí)間加長而積累增加，造成循環(huán)使用的空氣溫度越來越高。并且，空氣以音速流過噴嘴的喉部，噴嘴及滯止容器等部件會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)及振動(dòng)噪音，給裝置的穩(wěn)定性帶來很大影響。為此專門設(shè)計(jì)了具有溫度調(diào)節(jié)功能的減振型滯止容器。新型滯止容器具有內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)的容器壁，兩層容器壁中通入循環(huán)冷卻水，形成水環(huán)夾層容器壁。水環(huán)夾層容器壁的進(jìn)、出水管與可控溫度的貯水容器連通，通過循環(huán)驅(qū)動(dòng)泵形成水循環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)，滯止容器采用多段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水環(huán)夾層采用多通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高溫控效果和效率。

5 總結(jié)

文中從裝置結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)特色等幾個(gè)方面，詳細(xì)介紹了國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心的蒸汽流量實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置、15000L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和負(fù)壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

依托福建省計(jì)量科學(xué)研究院籌建國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心，進(jìn)一步提升氣體流量計(jì)量技術(shù)水平，集中優(yōu)勢資源攻克氣體流量計(jì)量中存在的技術(shù)難題，使國家蒸汽流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)檢中心高端氣體流量檢測設(shè)備成為全國共享的檢測資源，不僅能為全國的氣體流量計(jì)用戶、生產(chǎn)企業(yè)提供檢定校準(zhǔn)和新產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)服務(wù)，還可作為全國氣體流量專業(yè)技術(shù)人員交流合作的平臺(tái)，聯(lián)合開展檢測手段和檢定方法的研究，共同促進(jìn)氣體流量計(jì)量水平的提高。

[1]鄭燦亭.蒸汽計(jì)量存在的問題及對策[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2006,1: 31-33.

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Research on Gas Flow Standard Equipments of National Testing Center for Steam Flowmeter Products

LEI Yang1,2
(1 Fujian Metrology Institute,Fuzhou 350003,China)
(2. National Testing Center for Steam Flowmeter Products,Fuzhou,350003,China)

The establishment of National Testing Center for Steam Flowmeter Products has a great signi ficance to the gas flow measurement with air,steam and so on. The steam flow standard equipment,the 15000L standard bell prover of gas flow and the sonic nozzle gas flow standard equipment based on negative pressure method were introduced in detail from the aspects of the equipments structure,the technical speci fications and the technical characteristics.

Gas flow; Steam; Bell prover; Sonic nozzle

2017-01-24

雷 陽，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，工程師,博士