淺談臨界流文丘利噴嘴在氣體流量計(jì)量中的實(shí)際應(yīng)用

1、淺談臨界流文丘利噴嘴在氣體流量計(jì)量中的實(shí)際應(yīng)用 臨界流文丘利噴嘴（以下簡(jiǎn)稱噴嘴）在國(guó)內(nèi)的研究始于上世紀(jì)70年代，ISO于1983年公布了噴嘴的標(biāo)準(zhǔn)草案。經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，噴嘴以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小、沒(méi)有可動(dòng)部件、氣源既可用高壓也可用負(fù)壓方式、作為流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)既可離線也可在線使用，以及準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)流量行業(yè)的廣泛注意。尤其是1990年ISO 9300的公布和JJG 620-1994的施行，使其發(fā)展更為迅速。近年來(lái)噴嘴不僅作為試驗(yàn)室的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)，而且在天然氣流量計(jì)量中作為在線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)也發(fā)揮了積極作用。 一、臨界流文丘利噴嘴的基本原理 1.原理 臨界流文丘利噴嘴是個(gè)孔

2、徑逐漸減小的流道，孔徑最小的部分稱為喉部，在喉部的后面有孔徑逐漸擴(kuò)大的流道。噴嘴可隨著其下游擴(kuò)大管長(zhǎng)度的不同可得到不同的臨界壓力比，最大可以達(dá)到0.9。當(dāng)氣流通過(guò)喉部時(shí)氣流速度可達(dá)到音速，此時(shí)馬赫數(shù)等于1，流量只與上游壓力有關(guān)（與下游壓力無(wú)關(guān)），流出系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。所以適合于作為氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)使用。 2.數(shù)學(xué)模型 在理想條件下，理論上可以導(dǎo)出噴嘴的質(zhì)量流量q為 q=AC（1） 式中：A———噴嘴喉部的內(nèi)截面積；R———氣體常數(shù)；C—&mdas

3、h;—理想條件下的臨界流函數(shù)。 C=（）（2） 式中：P———噴嘴前的氣體滯止壓力；T———噴嘴前的氣體滯止溫度；r———比熱比。 在實(shí)際條件下噴嘴的質(zhì)量流量q為 q=ACC（3） 式中：C———實(shí)際氣體的臨界流函數(shù)，它是假定氣體為一維等熵流動(dòng)的條件下，利用真實(shí)氣體的熱力學(xué)性質(zhì)表計(jì)算出來(lái)；C——&a

4、mp;mdash;流出系數(shù)，它是對(duì)"一維、等熵流動(dòng)'這種假設(shè)條件的修正，實(shí)驗(yàn)表明C只是雷諾數(shù)Red的函數(shù)。 Red=（4） 式中：Red———噴嘴的喉部雷諾數(shù)；d———噴嘴喉部直徑；μ———氣體在滯止條件下的動(dòng)力粘度。 從式（3）可知，只要試驗(yàn)得到流出系數(shù)C，就可按測(cè)得的滯止壓力P0和滯止溫度T0（由此查表可知C*）計(jì)算出質(zhì)量流量。 下式為ISO 9300標(biāo)準(zhǔn)中擬合的C與Red的關(guān)系式

5、 C=a-bRed（5） 如果對(duì)C不進(jìn)行校驗(yàn)而直接按式（5）進(jìn)行計(jì)算，則不確定度為0.5%；要使不確定度優(yōu)于0.5%，比如說(shuō)0.2%，則必須對(duì)C進(jìn)行實(shí)際校驗(yàn)。 二、臨界流文丘利噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究1.裝置的組成 這是建立在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一套氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，由以下五部分組成。第一部分氣源，為水環(huán)式真空泵。第二部分標(biāo)準(zhǔn)部分，根據(jù)所需流量范圍計(jì)算了11塊噴嘴，按 ISO 9300：1990和JJG 620-1994規(guī)定有兩種安裝方法：其一噴嘴上游管道為圓形截面；其二噴嘴上游為一大空間（即噴嘴上游距噴嘴中心線及入口平面5d以內(nèi)無(wú)器壁可認(rèn)為是大空間）。根據(jù)后一要求，設(shè)計(jì)長(zhǎng)為3.168m，直徑為0.

6、500m，體積約為0.6m3的滯止容器，將11塊噴嘴安裝在容器內(nèi)。第三部分在滯止容器上設(shè)計(jì)出測(cè)量噴嘴上游滯止壓力、滯止溫度的位置及調(diào)節(jié)噴嘴流量的閥門(mén)。第四部分為安裝被檢流量計(jì)試驗(yàn)管道，這部分主要由被檢流量計(jì)的前后直管段、氣動(dòng)伸縮器、被檢表的測(cè)溫、測(cè)壓儀表等。第五部分為工控機(jī)數(shù)據(jù)處理部分，主要包括計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)、控制柜、打印機(jī)等。 2.裝置的測(cè)量原理 裝置采用負(fù)壓方式，氣源為三臺(tái)水環(huán)式真空泵，根據(jù)流量大小并聯(lián)使用。啟動(dòng)真空泵，將大氣中的空氣吸入試驗(yàn)管道，氣流通過(guò)被校流量計(jì)進(jìn)入滯止容器，根據(jù)所需流量打開(kāi)所選擇的噴嘴閥門(mén)。由于大氣壓高于滯止容器里的壓力，所以空氣從試驗(yàn)管段經(jīng)過(guò)被校流量計(jì)、噴嘴，當(dāng)氣流

7、流經(jīng)噴嘴喉部時(shí)達(dá)到音速，這樣使得下游壓力的變化將不再影響流量。由于大氣的壓力和溫度保持不變，所以通過(guò)流量計(jì)時(shí)就為恒定流量。此時(shí)測(cè)量噴嘴上游的滯止壓力和滯止溫度，同時(shí)測(cè)量流量計(jì)的壓力和溫度，將這些信號(hào)送入工控計(jì)算機(jī)，計(jì)算出噴嘴的流量和流量計(jì)的流量，按規(guī)程計(jì)算流量計(jì)的基本誤差、重復(fù)性。計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并可顯示、打印、存儲(chǔ)等。該裝置適合于校準(zhǔn)速度式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。 三、臨界流文丘利噴嘴作為在線標(biāo)準(zhǔn)在天然氣流量計(jì)量中的應(yīng)用1.問(wèn)題的提出 由于日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力和世界能源危機(jī)的挑戰(zhàn)，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔、低成本的能源和重要的化工原料愈來(lái)愈受到人們的青睞。提高天然氣流量

8、的測(cè)量準(zhǔn)確度可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)。由于臨界流文丘利噴嘴的特點(diǎn)，不僅可用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)而且還可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)天然氣進(jìn)行在線流量計(jì)量。 2.現(xiàn)場(chǎng)的狀況 根據(jù)油田天然氣計(jì)量的情況，多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)孔板加雙波紋管差壓計(jì)的方式，按部頒標(biāo)準(zhǔn)天然氣交接計(jì)量的不確定度為3%。估計(jì)實(shí)際情況要超出這個(gè)范圍，主要原因如下： （1）節(jié)裝置孔板由于長(zhǎng)期使用，孔板的銳角磨損變鈍； （2）目前定期檢測(cè)節(jié)流裝置孔板時(shí)，一般是檢測(cè)雙波紋管差壓計(jì)并對(duì)孔板采用幾何尺寸法進(jìn)行檢查，這種離線檢測(cè)難以消除系統(tǒng)偏差的影響； （3）雙波紋管差壓計(jì)的靈敏度較差，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)流量發(fā)生變化時(shí)不能及時(shí)反映出來(lái)，變化后又不能及時(shí)恢復(fù)過(guò)來(lái)； （4

9、）節(jié)流裝置孔板安裝不當(dāng)。 3.活動(dòng)式臨界流文丘利噴嘴在線檢測(cè)裝置的研究 裝置技術(shù)指標(biāo)如下： 壓力范圍：高壓（1.01.6）MPa； 低壓（0.060.1）MPa 流量范圍：（0.528）萬(wàn)m3/d 測(cè)量介質(zhì)：伴生氣和氣井氣的天然氣 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的壓力和流量參數(shù)共設(shè)計(jì)了6個(gè)噴嘴，采用并聯(lián)組合的方式，低壓下并聯(lián)組合后最大流量約為9.4萬(wàn)m3/d，在高壓下并聯(lián)組合最大流量約為60萬(wàn)m3/d。 4.裝置的測(cè)量原理 該裝置為車(chē)裝式，總體要求緊湊，所以設(shè)計(jì)成耙犁式裝載在車(chē)上。試驗(yàn)時(shí)將裝置的試驗(yàn)管道與現(xiàn)場(chǎng)節(jié)流裝置孔板的管道串聯(lián)后即可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。該裝置主要由過(guò)濾器、閥門(mén)、滯止容器和安裝在其內(nèi)部的噴嘴組、調(diào)節(jié)流量用的閥門(mén)、測(cè)壓、測(cè)溫、檢漏用儀表及計(jì)算機(jī)采