探討制約氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量范圍的因素

冉高宗，楊德生，呂順

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司計(jì)量檢測(cè)中心，新疆 獨(dú)山子 833699）

計(jì)量檢測(cè)中心臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，選用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)，采用比較法原理進(jìn)行氣體流量計(jì)的檢定及校準(zhǔn)。文丘里噴嘴是最常用的氣體標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，已成為氣體流量傳遞的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在該裝置投用5年后，出現(xiàn)了流量范圍減小，在大流量檢定時(shí)無(wú)法滿足規(guī)定的背壓比的現(xiàn)狀，本文從多個(gè)方面探討了制約標(biāo)準(zhǔn)裝置流量范圍的幾個(gè)因素，找到了相應(yīng)癥結(jié)。

1 臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成結(jié)構(gòu)

（1）標(biāo)準(zhǔn)裝置的總體描述。氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由13支并聯(lián)安裝的臨界流文丘利噴嘴組件、匯管、水環(huán)式真空泵、數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制軟件等組成。每個(gè)噴嘴的組件由前后管段、臨界流文丘利噴嘴、壓力變送器及溫度變送器構(gòu)成。其中壓力變送器和溫度變送器用于測(cè)量計(jì)算所需的壓力和溫度值；每個(gè)噴嘴組件前安裝有氣動(dòng)蝶閥，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程兩種方式對(duì)閥門的控制，以確保對(duì)各個(gè)管路的控制。

（2）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集，利用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)閥門的控制。閥門的開關(guān)等可在電腦顯示屏上以圖形的形式顯示，操作人員可以通過(guò)微機(jī)對(duì)不同的閥門實(shí)施操作，隨時(shí)了解、管理并控制整個(gè)檢定、校準(zhǔn)流程。

（3）標(biāo)準(zhǔn)器的選擇。檢定、校準(zhǔn)開始之前，系統(tǒng)軟件可以根據(jù)設(shè)定的流量產(chǎn)生可供選擇的噴嘴組合，最后由操作人員確定，其噴嘴組合是通過(guò)控制氣動(dòng)柱塞閥開關(guān)完成的，當(dāng)系統(tǒng)顯示被選擇閥門處于正確位置時(shí)，組合選擇完成。

2 臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理及特點(diǎn)

臨界流文丘里噴嘴的內(nèi)壁形狀如下圖1所示。

圖1

（1）工作原理：上游壓力不變，下游壓力逐漸減小到某一值時(shí)，通過(guò)噴嘴的流量將達(dá)到最大值，且恒為當(dāng)?shù)匾羲?，并保持音速不變。?dāng)節(jié)流壓力比（即出口壓力與上游滯止壓力之比）小到一定值時(shí)，流過(guò)噴嘴喉部的流速達(dá)到最大值——音速。如果上游滯止壓力不變，出口壓力再減小，流速將保持恒定。利用音速噴嘴的臨界體積和質(zhì)量流量的穩(wěn)定性，使流過(guò)流量計(jì)的體積和質(zhì)量流量為恒值。

（2）特點(diǎn)。當(dāng)氣體通過(guò)噴嘴時(shí)，若入口處壓力和出口處壓力滿足如下條件：P出/P入≤0.85（背壓比）時(shí)，則氣體通過(guò)噴嘴喉部的流速恒定于當(dāng)?shù)氐囊羲?，且保持不變，此時(shí)即為臨界流狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)性原理，此時(shí)通過(guò)被標(biāo)定流量計(jì)算得氣體質(zhì)量流量，一定等于通過(guò)噴嘴處的氣體質(zhì)量流量。就是利用噴嘴的這一特性，作為氣體計(jì)量量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

3 影響因素的分析和探討

在檢定過(guò)程中真空泵的能力應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件：第一，真空泵提供的流量應(yīng)大于被檢流量計(jì)的最大流量；第二，在測(cè)量過(guò)程中，真空泵所提供的真空度應(yīng)滿足音速噴嘴的臨界壓力比（背壓比）。在達(dá)到檢定要求的情況下，單臺(tái)泵最大流量為700m3/h、雙臺(tái)泵最大流量為1650m/h；而泵體本身的額定泵量為42m/min和30m3/min，換算后不難得出，單臺(tái)泵其流量理論應(yīng)達(dá)到2520m3/h，而雙臺(tái)應(yīng)達(dá)到4320m3/h，（即便泵效為60%，雙臺(tái)泵也應(yīng)有2500m3/h左右的泵量），目前檢定過(guò)程得出，裝置存在制約流量范圍的因素。分析影響檢定范圍的幾個(gè)主要因素有漏氣與管道堵塞、噴嘴開啟密封不嚴(yán)、軟件系統(tǒng)計(jì)算錯(cuò)誤、溫度變送器及壓力變送器不準(zhǔn)確（圖2）。

（1）漏氣與管道堵塞。漏氣或密封不嚴(yán)會(huì)造成裝置真空度不夠，使得噴嘴流量達(dá)不到要求；而管道的堵塞會(huì)造成靠近泵體的管道壓差大，而噴嘴后端的壓差小，這種壓差會(huì)造成噴嘴的“吸力”變小，造成流量達(dá)不到要求。通過(guò)改裝設(shè)備，加裝精密真空表進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

圖2

首先確定了精密真空表其分度值為d=0.0005MPa，測(cè)試時(shí)使用SK-42A單臺(tái)真空泵。

表1

由表1可知，前后壓差1與壓差2非常接近，所以推斷裝置的管徑?jīng)]有漏氣和堵塞的地方。

（2）噴嘴開啟密封不嚴(yán)。噴嘴在檢定中對(duì)應(yīng)不同流量會(huì)有不同組合，為確保柱塞閥可靠開關(guān)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了檢查確認(rèn)。在噴嘴的觀察視窗，對(duì)應(yīng)微機(jī)顯示的閥門序號(hào)，進(jìn)行檢查，確保在檢定過(guò)程中柱塞閥可靠開關(guān)?？蓪?duì)每個(gè)噴嘴進(jìn)行檢查，在微機(jī)上逐個(gè)選擇閥門的開關(guān)，確保閥門的靈活性，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)再次通過(guò)視窗確認(rèn)閥門的動(dòng)作是否到位。經(jīng)過(guò)判斷密封嚴(yán)密無(wú)泄漏。

（3）電機(jī)問(wèn)題。電機(jī)轉(zhuǎn)速不夠也會(huì)影響拖動(dòng)的真空泵達(dá)不到額定泵效。通過(guò)聯(lián)系研究院借用頻閃儀檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速符合電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速范圍，電流和電壓也符合額定要求。

（4）軟件計(jì)算錯(cuò)誤。因?yàn)闄z定后續(xù)的計(jì)算全部由軟件進(jìn)行計(jì)算，如果軟件出現(xiàn)了錯(cuò)誤會(huì)造成計(jì)算錯(cuò)誤從而出現(xiàn)上述檢定中出現(xiàn)的問(wèn)題。通過(guò)聯(lián)系丹東的廠家，對(duì)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，檢定了一塊穩(wěn)定的流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖2所示，在背壓比可以達(dá)到檢定要求的情況下，檢定數(shù)據(jù)是穩(wěn)定可靠的，由此判斷軟件方面沒(méi)有出錯(cuò)。

（5）真空泵無(wú)法達(dá)到額定參數(shù)要求。真空泵本身沒(méi)有達(dá)到額定參數(shù)要求，會(huì)從根本上造成裝置流量達(dá)不到要求。①測(cè)量進(jìn)水量：粗略計(jì)算，用水桶裝水并用秒表計(jì)時(shí)。測(cè)得18.33kg水用時(shí)11秒。可得出SK-42A泵（單臺(tái)）進(jìn)水量為每小時(shí)6m3/h。②進(jìn)行泵體的密封檢查：加水時(shí)，若泵軸的密封處出現(xiàn)連續(xù)水流（滴漏較為正常），則不符合密封要求，進(jìn)行緊固密封壓蓋或更換密封填料。③檢查SK-42A泵的排氣量：通過(guò)視窗發(fā)現(xiàn)水氣分離罐水位太高，造成水氣混合，排出總出氣口時(shí)水量太多，影響了總排氣量，進(jìn)行裝置改造后，對(duì)罐體的溢流口進(jìn)行擴(kuò)大，使水氣充分分離。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)問(wèn)題的逐一分析，最終得出泵體本身的問(wèn)題和供水量不足為影響裝置檢定范圍的最主要的問(wèn)題。在分析、排查問(wèn)題的過(guò)程中，系統(tǒng)學(xué)習(xí)了氣表檢定裝置的理論知識(shí)，進(jìn)一步提高了自身的實(shí)踐能力，為今后順利開展氣表檢定工作奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。最后，班組對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分析處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和處理，這些第一手寶貴的資料，利于以后排查、分析設(shè)備問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] JJF1240-2010,臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范[S].