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一种可模拟介质实际使用温度的气体流量标准装置研究

流量计量是能源计量的重要方面, 与国计民生密切相关, 从居民家庭里用于计量计费的燃气表、水表、热量表, 到工业领域使用的各种流量计, 再到国内进出口贸易中的原油、天然气结算表, 无不与流量计量有关。作为流量计量的重要组成部分, 气体流量计量主要介质是空气、天然气、蒸汽、其它工业气体等, 主要使用各种气体流量计, 如涡轮、涡街、超声、罗茨、活塞、皂膜等。检定或校准这些气体流量计需要用到气体流量标准装置[1]。常见的气体流量标准装置主要有钟罩式气体流量标准装置[2]、标准表法气体流量标准装置[3,4] (标准表可以是音速喷嘴、气体涡轮、气体罗茨、皂膜、气体活塞等) 、pVTt法气体流量标准装置[5]、mt法气体流量标准装置等, 它们各有特点, 有各自的应用领域。

1 存在的问题

利用气体流量标准装置在实验室检定或校准气体流量计时, 影响试验结果准确性的因素, 除了常说的人、机、料、法、环五个要素外, 还有三个内在影响因素也很重要。一是介质影响, 即实验室所用介质是否与气体流量计实际工作介质一致或相近;二是压力影响, 即实验介质压力是否与实际介质压力相同或接近;三是温度影响, 即实验介质温度是否与实际介质温度相同或接近。

                  

                                                                  图1 三个内在影响因素 

针对弟一个影响因素, 由于目前常用的试验介质是空气, 当实际介质性状与试验介质空气相差很大时, 将出现较大的附加误差。目前行业内已经出现使用蒸汽或天然气实流[6,7]为介质的气体流量标准装置, 可基本解决试验介质与实际蒸汽或天然气介质不一致的问题。针对第二个影响因素, 目前对于大多数正压法装置, 均可以在一定范围内设定或调节气源压力, 可基本解决这个问题。但针对第三个影响因素, 由于大多数流量计都不可能一直工作在实验温度下, 可能随着季节变化而改变, 也可能工艺上要求其在高温或低温下工作, 因而存在试验温度介质温度相差较大的问题。目前以空气为介质的装置基本上以常温为主;以蒸汽或天然气为介质的装置也基本以气源的工况温度为准, 介质温度不能调节或不易调节[8,9]。因此利用现有装置得到的检测数据与流量计实际性能数据可能存在偏差。

2 设计思路

为了解决现有技术中无法模拟介质实际使用温度、无法获知温度影响模型的问题, 结合行业内气体流量标准装置设计经验[10,11], 本文设计一种测试耗时少、测量范围广的模拟介质实际使用温度的气体流量标准装置。它包括进气组件、标准器、被检器、气体调节组件、排气组件等。需要对温度进行设定和调节时, 只要在系统软件中进行简单设定即可, 稳定一段时间待设定温度平衡后, 即可开始检测试验。

3 装置结构

本装置主要包括四个部分:
                               
1) 进气组件
提供大气和高压气两种气源, 大气气源由进气阀来控制;高压气源由空压机或风机、高压储气罐组成 (如图2所示) , 由进气截止阀来控制。因此, 进气组件包括大气进气阀和高压气源储气罐、进气截止阀, 进气截止阀与大气进气阀并联, 进气阀与大气连通;对不同的标准器检测提供相应的气源, 应用范围广。
2) 温度控制组件
主要是由气体制冷器、气体加热器与气体混合保温器构成的, 当所调温度高于室温时, 使用气体加热器;当所调温度低于室温时, 使用气体制冷器;加热器与制冷器并联使用, 方便控制冷热气流, 其出口通过加热器控制阀、制冷器控制阀与气体混合器相连, 入口与进气组件出口端相连。气体混合保温器出口端与被检气体流量计进气口相连。气体混合保温器上带有保温器压力传感器和温度传感器。
3) 标准器与被检器组件
标准器包括:音速喷嘴、钟罩、标准流量计等 (如图3所示) , 可以是多个标准器的并联组合, 例如多个喷嘴、多台套标准流量计、多个钟罩等, 具体结构符合相应标准器技术要求即可。标准器通过截止阀与被检器及排气组件相连。标准器上带有标准器压力传感器和温度传感器。被检器接口进气端连接有被检器压力传感器, 出气端连接有被检器温度传感器。
                               
                                                                  图3 各种标准器
4) 排气组件
提供排出至大气和负压真空泵 (如图4所示) 两种排气方式, 排出至大气的方式由大气排气阀控制;负压真空泵由真空泵进气阀控制。因此, 排气组件包括大气排气阀和真空泵, 两者相并联、与标准器的出口端连接;适用不同的标准器检测。整体装置结构如图5所示。
为了使设定的检测温度保持不变, 除了要求温度控制组件持续调整和保持介质温度外, 还要求气体调节组件、被检气体流量计、标准器及系统管路外壁需增加保温层, 阻止系统内气体与外界进行热交换 (如图6所示) , 以达到节能的目的。
4 操作过程
4.1 当标准器4为负压法音速喷嘴或负压法标准流量计时
以标准流量计为例, 试验时进气组件1的进气截止阀121关闭, 进气阀11打开与大气直通;排气组件5的排气阀51关闭, 真空泵进气阀521打开与真空泵52连通。在被检气体流量计接口3连接被检气体流量计 (图中未示) 。打开系统截止阀41和真空泵52, 空气通过进气阀11分别进入气体制冷器21和气体加热器23。调节制冷器控制阀211和/或加热器控制阀231, 监视混合气压力传感器P2的压力和气体混合保温器温度传感器T2的温度, 使得气体混合保温器22中气体温度达到被检气体流量计的实际使用温度, 调节系统流量调节阀42, 使得系统流量与被检气体流量计需要相符合, 开始检测。检测气体由气体混合保温器22出口端流出通过被检气体流量计进入标准流量计, 再由标准流量计流出通过真空泵排出。试验过程中需要监视T0、T1、T2的数值, 必要时重新调节介质温度
4.2 当标准器4为钟罩标准装置、正压法音速喷嘴或正压法标准流量计时
以钟罩标准装置为例, 试验时进气组件1的进气阀11关闭, 进气截止阀121、空压机或风机122打开;排气组件5的真空泵进气阀521关闭, 排气阀51打开与大气连通。在被检气体流量计接口3连接被检气体流量计 (图中未示) 。打开系统截止阀41, 高压空气通过截止阀121分别进入气体制冷器21和气体加热器23。调节制冷器控制阀211和/或加热器控制阀231, 监视混合气压力传感器P2的压力和气体混合保温器温度传感器T2的温度, 使得气体混合保温器22中气体温度达到被检气体流量计的实际使用温度, 调节系统流量调节阀42, 使得系统流量与被检气体流量计需要相符合, 开始检测。检测气体由气体混合保温器22出口端流出通过被检气体流量计进入钟罩标准装置, 钟罩上升至某高度, 检测完成后再通过排气阀51排出到大气 (正压法音速喷嘴或正压法标准流量计则是连续排出到大气中) 。试验过程中同样需要监视标准器温度传感器T0;被检器温度传感器T1与气体混合保温器温度传感器T2的关系, 以便随时调节介质温度
5 效果验证
现利用一套0.3级、可模拟介质实际使用温度的负压音速喷嘴法气体流量标准装置, 对一台DN50、1.0级天然气涡轮流量计进行检测, 检测流量点20m3/h, 气体温度分别调节为10℃、25℃ (常温) 、50℃, 各做一组试验, 示值误差试验结果如表1所示。
从图中可以看出, 各设定温度下示值误差试验的重复性分别为0.05%、0.07%、0.08%, 示值误差平均值大相差不超过0.17%, 体现了装置温度调节功能的稳定性和可靠性。另外, 从图中还可以看出, 流量计误差曲线基本上随着温度的升高而上移, 在排除了其它影响因素的基础上, 可以初步得出介质温度对该类被检流量计的示值误差曲线的影响模型是正相关的。其它更进一步的试验设计在此不再赘述。整体来说, 该装置满足设计要求。
6 结束语
传统气体流量标准装置大多未考虑介质温度对检测结果所带来的影响, 因此使用范围受限。本文设计一种可模拟介质实际使用温度的气体流量标准装置, 温度调节方便, 可以快速达到混合气体要求的温度, 检测效率较高;适用不同类型的标准器进行检测, 适用范围更广。另外, 还可以在原有气体流量标准装置基础之上进行温度调节部分改造[11], 进一步降低建造成本, 避免浪费。
 

 

点击次数:  更新时间:2019-03-28  【打印此页】  【关闭

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