基于正壓法流量校準裝置用氣需求的儲氣罐管路改造

劉鑫鑫 戴 錚

（上海飛機設計研究院，中國 上海 201210）

0 前言

流量校準裝置是環控試驗室必不可少的工藝設備，其主要作用有以下兩個方面：①環控系統試驗中，需要使用流量計進行氣體流量測量。針對不同的試驗流量計需要拆卸及重新安裝，其測量精度可能會發生變化，需要通過流量校準裝置來對流量計的測量誤差進行判斷，以保證流量計的準確性；②管路流量計加裝時由于受限于直管段不足，流量計讀數往往不準確，需要通過流量校準裝置對加裝流量計后的管路進行標定，得出真實流量與流量計讀數的關系，作為試驗時流量測量的依據。因此流量校準裝置的穩定性關系到環控系統試驗的流量測量準確性。

1 流量校準裝置

環控試驗室采用音速噴管為標準流量計的正壓法空氣流量校準裝置（圖1），裝置主要包括流量調節系統、噴嘴計量段總成及裝置鑒定管線等。校準裝置上游接試驗室已有供氣系統，下游經過消音器排出室外。

圖1 流量校準裝置結構原理圖

圖2 文丘里噴嘴示意圖

本流量校準裝置采用的音速噴管為文丘里噴嘴（圖2），該噴嘴按照一定的幾何結構設計，根據氣體動力學原理，當下游與上游壓力之比達到臨界壓力比的條件時，在噴嘴喉部形成臨界流狀態，氣流達到最大速度（音速）。流過噴嘴的氣體質量流量也達到最大值qm。此時qm只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關，而不受下游狀態變化的影響。流經臨界噴嘴的質量流量qm可按下式計算：

式中：qm——通過臨界流噴嘴在實際條件下的質量流量；

A*——臨界流噴嘴喉部的截面積；

C——臨界流噴嘴的流出系數；

C*——實際氣體的臨界流函數；

P0——噴嘴前氣體的絕對滯止壓力；

T0——噴嘴前氣體的絕對滯止溫度；

RM——8.31441J/(mol)通用氣體常數。

從上述公式可知， 影響噴嘴流量穩定性的有 A*、C、C*、T0、P0等幾個參數，其中 A*、C、C*為噴嘴固有參數不會影響流量穩定性，T0、P0為噴嘴前滯止溫度和滯止壓力，由于上游供氣為空壓機氣源系統，上游溫度為室外大氣溫度，因此噴嘴前滯止溫度基本不變；上游壓力由于空壓機的特性會存在一定的波動，導致噴嘴前滯止壓力也會存在一定波動，從而會影響流量校準裝置流量穩定性。綜上所述，要確保本套流量校準裝置流量穩定性一定要保證上游供氣壓力穩定、波動小。

2 儲氣罐系統管路改造

2.1 儲氣罐系統

環控系統試驗時為保證下游供氣穩定，在氣源系統下游配置了儲氣罐系統（圖3），儲氣罐系統主要包括兩個100立方米的罐體、連接上下游系統的管路、閥門、補償管路等。由于環控系統試驗時用氣量較大，為滿足用氣需求，儲氣罐系統設計時采用管路將兩個罐體并聯進行供氣，兩個儲氣罐進氣口和出氣口處都設置手動閥門，試驗用氣量小時可以關閉一個罐體進出口的閥門，只使用一個罐體進行供氣，以達到節能減排的目的。

圖3 儲氣罐系統示意圖

2.2 儲氣罐系統管路改造

正壓法流量校準裝置對于上游供氣壓力的穩定性要求很高，根據文獻[3]中的描述，為提供穩定的流場，正壓法音速噴嘴氣體流量裝置需設置穩壓罐以穩定壓力。目前儲氣罐系統是將兩個儲氣罐并聯進行供氣，儲氣罐主要是起到儲氣的作用，并聯儲氣罐出口匯流處由于兩個罐體壓力差異容易產生新的壓力波動。此外，氣源系統提供的壓力與流量校準裝置上游所需壓力相差過大，壓力調節難度大，且調壓活門下游容易產生較大的壓力波動，影響流量校準裝置的流量穩定性。

圖4 儲氣罐系統管路改造示意圖

根據流量校準裝置的用氣需求，在原有儲氣罐管路規劃的基礎之上進行了管路改造，改造結果如圖4所示。當需要實現并聯供氣時關閉減壓閥門，打開手動閥門1、2、3、4就可以將兩個儲氣罐并聯在一起進行供氣；當需要實現串聯供氣時，打開手動閥門1、4及減壓閥，關閉手動閥門2、3，上游氣體首先通過閥門1流入儲氣罐1，再通過減壓閥減壓后流入儲氣罐2，最后通過手動閥門4流出至下游流量校準裝置，這樣儲氣罐1主要起到儲氣作用，而儲氣罐2則作為穩壓罐主要起到穩壓作用，這樣就可以保證儲氣罐出口壓力穩定，從而滿足流量校準裝置用氣需求。

3 結語

流量校準裝置在環控系統試驗中是不可或缺的，正壓法音速噴嘴氣體流量校準裝置的穩定性主要取決于上游供氣壓力穩定與否，為保證上游供氣壓力穩定，對原有的儲氣罐系統管路進行了改造，具有很強的實踐操作指導意義。

［1］郭愛華.標準表法氣體流量標準裝置[J].自動化儀表,2009,30(8)：50-54.

［2］宋德星.臨界流文丘里噴嘴測量不確定度分析[J].工業控制計算機,2013(12).

［3］王池,王自和,張寶珠,孫淮清.流量測量技術全書[M].北京：化學工業出版社,2012.

［4］王東偉,段慧明.pVTt法微小氣體流量標準裝置[J].現代計量測試,2000(3)：37-43.

［5］王強.負壓法音速噴嘴氣體流量標準裝置的使用[J].上海計量測試,2013(6).