負壓臨界流噴嘴法氣體流量標準裝置中噴嘴計量段的設計

（新疆兵天綠誠塑料制品檢測有限公司，石河子市，832000） 楊紅濤

隨著我國“西氣東輸”、“俄氣南下”和“液化天然氣上岸”等多條跨地區、跨國界的天然氣輸入干線的實施和建設，城市燃氣進入高速發展期，越來越多的超大口徑氣體流量儀表應用到天然氣的輸送管道上。無論是外部還是內部對于用于貿易結算的流量儀表的需求逐年增加。作為流量儀表，無論新生產的儀表，使用中的儀表，維修后的儀表均要通過流量標準裝置進行檢定和校準。為了保證貿易公平，確保氣體流量儀表的量值統一和準確，氣體流量標準裝置建設需求增多。

根據“十三五”節能減排的總體要求，牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，落實節約資源、保護環境基本國策，以提高能源利用效率和改善生態環境質量為目標，為建設生態文明提供有力支撐。從國內現有裝置的使用情況來看，臨界流噴嘴氣體流量標準裝置是具有檢測技術成熟、流量范圍較寬、系統流量穩定、流量調節靈活、檢定效率較高、系統造價適中的一種氣體流量標準裝置。

對于氣體流量裝置的建設，噴嘴的合理選型設計變得尤為重要。

1 裝置的組成及工藝流程

一般由動力氣源、噴嘴組、滯止容器或上游管線、滯止溫度測量儀表、滯止壓力測量儀表，濕度測量儀表、被校流量計處溫度測量儀表、被校流量計處壓力測量儀表，計時器，試驗管路系統、數據采集處理系統以及其他輔助系統設備構成。

其工藝流程為：通過氣源系統的空氣壓縮機組（或真空泵組）結合穩壓容器（或緩沖容器）以及大氣，作為裝置的穩定氣源。在微機上按照檢定流量計的需要，通過對噴嘴開關閥門的操作，實現噴嘴組合流量的選擇與切換。在臨界流文丘里噴嘴進入臨界流狀態后，等待系統進入穩定狀態（指系統的壓力、溫度、流量以及被檢流量計輸出趨于平穩）。待系統穩定后，微機檢定系統再對裝置檢定過程的具體參數（溫度、壓力及被檢流量計的輸出等）進行采集、處理、運算及整理打印，完成對流量計的檢定操作。

工作介質的滯止壓力等于或低于當地大氣壓力的裝置。

圖1 負壓法臨界流文丘里噴嘴氣體流量標準裝置工藝圖

2 噴嘴特點

目前國內外氣體流量標準裝置傳遞標準最為普遍的是音速文丘里噴嘴，氣體渦輪及容積式流量計等。音速文丘里噴嘴作為氣體流量傳遞標準有很多優點，如：工作的機理成熟，在原始標準上校準確定的流出系數可推廣至不同工作條件去而不會降低準確度；具有高準確度，重復性好；流量特性質量流量與入口滯止壓力成線性關系；流量信號取決于上游側的流體參數，并且不受下游流體參數變化的影響；無可動部件，是半永久性的；工作范圍（壓力、流量、溫度）不受限制；尺寸緊湊，在同樣流量測量范圍，體積，造價等都比同等準確度等級的流量標裝置小的多，費用低廉得多；流體在上游與喉部之間有很大的能量轉換，因此抗上游干擾能力強，要求的直管段長度可以縮短；應用出口擴壓器使壓力恢復，可降低壓力損失，克服了壓損大的缺點。

正因音速文丘里噴嘴有諸多的優點，世界先進國家在選擇傳遞標準時都優先考慮。如美國國家標準與技術研究院，NIST 的氣體流量標準裝置，科羅拉多州工程試驗站的裝置，法國氣體公司的試驗裝置以及英國的工程試驗室的氣體裝置是采用音速噴嘴作為傳遞標準。而且國際標準局ISO已制定了ISO9300：2005E有關標準。

3 噴嘴的安裝形式

管道安裝方式（如圖2）是通過法蘭等部件將噴嘴鑲嵌在管道中。這種安裝方式需要在噴嘴的上游安裝直管段（直徑D、長度L、整流器要求如圖2）。并在噴嘴上游管道0.9～1.1倍通徑位置測壓，1.8～2.2倍通徑位置測溫。從流場壓力分布不均的角度考慮，需要分別對噴嘴單獨做測壓、測溫。這種方式安裝的管道比較長，另外還要有與噴嘴數量相一致的絕壓變送器，增加了測量點與成本。為解決這個問題，有些裝置生產廠家采用了取壓匯管的方法。用一只匯管與所有噴嘴前取壓口聯通，再通過一只絕壓變送器來取均壓。由于存在相距較遠、流量相差較大的噴嘴同時被選通的情況，所以這種做法的置信度應通過大量實驗數據來分析驗證。

圖2 噴嘴管道安裝方式

入口上游大空間安裝方式（如圖3）。當在噴嘴軸線或入口平面5 倍噴嘴喉徑d 的空間內無器壁，即視為噴嘴的上游是一個大空間。這是采用該安裝方式時，滯止容器設計的最低要求。在噴嘴軸線方向距入口平面10倍噴嘴喉徑的位置測壓；在滯止容器上均勻取點測溫。這種安裝方式可減少變送器的數量和一些不確定因素的影響。根據安裝的具體要求，滯止容器容積需要制作得較大，且需要設計一套實現該安裝方式的噴嘴安裝機構。

圖3 噴嘴大空間安裝方式

4 噴嘴工作原理

噴嘴的工作特性是：當噴嘴工作的背壓比低于最大允許背壓比（滿足噴嘴進入臨界流狀態，出口壓力與入口壓力比值的最大值）以后，流過噴嘴的氣流進入臨界流狀態（完全氣體的一維、等熵流動）。通過噴嘴的質量流量只與其入口的流體壓力和溫度有關，而與其出口壓力的波動無關。其流量運算公式如下：

式中：

qm—質量流量，kg/s；

Ant—噴嘴喉部面積，

Cd—流出系數；

C*—臨界流函數；

Z0—氣體在噴嘴入口滯止條件下的壓縮系數;

P0—噴嘴入口處的絕對滯止壓力，pa;

T0—噴嘴入口處的絕對滯止溫度，K;

圖4 臨界流文丘里噴嘴結構圖

5 噴嘴選型設計

裝置中的噴嘴選型設計應根據裝置的被檢流量計類型，確定被校流量計的最大質量流量和最小質量流量，用以確定裝置的流量范圍。

根椐裝置的最小流量和文丘里噴嘴前的滯止壓力、滯止溫度以及氣體性質，按質量流量公式，設計噴嘴的喉徑。

為了提裝置的計量檢定性能，通常引入流量分辨率的概念，在被檢流量計的最大流量和最小流量之間的任意流量點，均可以用這n 個文丘里噴嘴組合得到，其分辨率為 qmin。

文丘里噴嘴流量系列是等比數列，公比為2，n項之和等于 qmax，所以

實際設計中還要考慮其他因素，如我國原始標準（檢定或校準文丘里噴嘴用）的能力等。

噴嘴的設計需要大量的計算。如果通過人工手動計算易帶來人為誤差。利用Excel軟件進行設計，在軟件中編入計算公式，利用公式可以大大提高了設計的準確度和效率。

在噴嘴設計時，要考慮噴嘴所允許的最大背壓比，通常情況下，背壓比數值越大，噴嘴系統中壓損越小。在一定的范圍內噴嘴的背壓比越大越好。越大越經濟，越節能。

6 結束語

因為臨界流噴嘴的眾多優點，因此臨界流噴嘴氣體流量標準裝置是目前我們被廣泛采用的流量標準裝置之一。隨著許多與計量相關技術水平的提高與應用，優化噴嘴的選型設計為建設高起點、自動化、科學可靠的流量標準裝置提供了堅實的基礎。同時也必將使計量工作得到長足、高效的發展。