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)。控制系統(tǒng)通過計(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)，通過噴嘴的流量將達(dá)到最大值，且恒為當(dāng)?shù)匾羲伲⒈３忠羲俨蛔儭．?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)，則氣體通過噴嘴喉部的流速恒定于當(dāng)?shù)氐囊羲伲冶３植蛔儯藭r(shí)即為臨界流狀態(tài)。根據(jù)連續(xù)性原理，此時(shí)通過被標(biāo)定流量計(jì)算得氣體質(zhì)量流量，一定等于通過噴嘴處的氣體質(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，確保在檢定過程中柱塞閥可靠開關(guān)。可對(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)再次通過視窗確認(rèn)閥門的動(dòng)作是否到位。經(jīng)過判斷密封嚴(yán)密無泄漏。

（3）電機(jī)問題。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)的問題。通過聯(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有出錯(cuò)。

（5）真空泵無法達(dá)到額定參數(shù)要求。真空泵本身沒有達(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)

通過對(duì)問題的逐一分析，最終得出泵體本身的問題和供水量不足為影響裝置檢定范圍的最主要的問題。在分析、排查問題的過程中，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].