探讨制约气体流量标准装置流量范围的因素

冉高宗，杨德生，吕顺

（中国石油独山子石化分公司计量检测中心，新疆 独山子 833699）

计量检测中心临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置，选用符合国际标准的临界流文丘里喷嘴气体流量标准，采用比较法原理进行气体流量计的检定及校准。文丘里喷嘴是最常用的气体标准流量计之一，因其结构简单、坚固耐用、准确度高、重复性好等特点，已成为气体流量传递的二级标准，在工业生产的很多领域都有着广泛的应用。在该装置投用5年后，出现了流量范围减小，在大流量检定时无法满足规定的背压比的现状，本文从多个方面探讨了制约标准装置流量范围的几个因素，找到了相应症结。

1 临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的组成结构

（1）标准装置的总体描述。气体流量标准装置由13支并联安装的临界流文丘利喷嘴组件、汇管、水环式真空泵、数据采集处理控制系统及计算机控制软件等组成。每个喷嘴的组件由前后管段、临界流文丘利喷嘴、压力变送器及温度变送器构成。其中压力变送器和温度变送器用于测量计算所需的压力和温度值；每个喷嘴组件前安装有气动蝶阀，可实现现场和远程两种方式对阀门的控制，以确保对各个管路的控制。

（2）控制系统。控制系统通过计算机完成数据采集，利用电动执行机构，实现对各个阀门的控制。阀门的开关等可在电脑显示屏上以图形的形式显示，操作人员可以通过微机对不同的阀门实施操作，随时了解、管理并控制整个检定、校准流程。

（3）标准器的选择。检定、校准开始之前，系统软件可以根据设定的流量产生可供选择的喷嘴组合，最后由操作人员确定，其喷嘴组合是通过控制气动柱塞阀开关完成的，当系统显示被选择阀门处于正确位置时，组合选择完成。

2 临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的工作原理及特点

临界流文丘里喷嘴的内壁形状如下图1所示。

图1

（1）工作原理：上游压力不变，下游压力逐渐减小到某一值时，通过喷嘴的流量将达到最大值，且恒为当地音速，并保持音速不变。当节流压力比（即出口压力与上游滞止压力之比）小到一定值时，流过喷嘴喉部的流速达到最大值——音速。如果上游滞止压力不变，出口压力再减小，流速将保持恒定。利用音速喷嘴的临界体积和质量流量的稳定性，使流过流量计的体积和质量流量为恒值。

（2）特点。当气体通过喷嘴时，若入口处压力和出口处压力满足如下条件：P出/P入≤0.85（背压比）时，则气体通过喷嘴喉部的流速恒定于当地的音速，且保持不变，此时即为临界流状态。根据连续性原理，此时通过被标定流量计算得气体质量流量，一定等于通过喷嘴处的气体质量流量。就是利用喷嘴的这一特性，作为气体计量量值传递标准的依据。

3 影响因素的分析和探讨

在检定过程中真空泵的能力应满足下列两个条件：第一，真空泵提供的流量应大于被检流量计的最大流量；第二，在测量过程中，真空泵所提供的真空度应满足音速喷嘴的临界压力比（背压比）。在达到检定要求的情况下，单台泵最大流量为700m3/h、双台泵最大流量为1650m/h；而泵体本身的额定泵量为42m/min和30m3/min，换算后不难得出，单台泵其流量理论应达到2520m3/h，而双台应达到4320m3/h，（即便泵效为60%，双台泵也应有2500m3/h左右的泵量），目前检定过程得出，装置存在制约流量范围的因素。分析影响检定范围的几个主要因素有漏气与管道堵塞、喷嘴开启密封不严、软件系统计算错误、温度变送器及压力变送器不准确（图2）。

（1）漏气与管道堵塞。漏气或密封不严会造成装置真空度不够，使得喷嘴流量达不到要求；而管道的堵塞会造成靠近泵体的管道压差大，而喷嘴后端的压差小，这种压差会造成喷嘴的“吸力”变小，造成流量达不到要求。通过改装设备，加装精密真空表进行测试验证。

图2

首先确定了精密真空表其分度值为d=0.0005MPa，测试时使用SK-42A单台真空泵。

表1

由表1可知，前后压差1与压差2非常接近，所以推断装置的管径没有漏气和堵塞的地方。

（2）喷嘴开启密封不严。喷嘴在检定中对应不同流量会有不同组合，为确保柱塞阀可靠开关，在现场进行了检查确认。在喷嘴的观察视窗，对应微机显示的阀门序号，进行检查，确保在检定过程中柱塞阀可靠开关。可对每个喷嘴进行检查，在微机上逐个选择阀门的开关，确保阀门的灵活性，在实验室现场再次通过视窗确认阀门的动作是否到位。经过判断密封严密无泄漏。

（3）电机问题。电机转速不够也会影响拖动的真空泵达不到额定泵效。通过联系研究院借用频闪仪检测电机转速。检测后发现转速符合电机的额定转速范围，电流和电压也符合额定要求。

（4）软件计算错误。因为检定后续的计算全部由软件进行计算，如果软件出现了错误会造成计算错误从而出现上述检定中出现的问题。通过联系丹东的厂家，对装置进行了实验，检定了一块稳定的流量计，实验结果如下图2所示，在背压比可以达到检定要求的情况下，检定数据是稳定可靠的，由此判断软件方面没有出错。

（5）真空泵无法达到额定参数要求。真空泵本身没有达到额定参数要求，会从根本上造成装置流量达不到要求。①测量进水量：粗略计算，用水桶装水并用秒表计时。测得18.33kg水用时11秒。可得出SK-42A泵（单台）进水量为每小时6m3/h。②进行泵体的密封检查：加水时，若泵轴的密封处出现连续水流（滴漏较为正常），则不符合密封要求，进行紧固密封压盖或更换密封填料。③检查SK-42A泵的排气量：通过视窗发现水气分离罐水位太高，造成水气混合，排出总出气口时水量太多，影响了总排气量，进行装置改造后，对罐体的溢流口进行扩大，使水气充分分离。

4 结语

通过对问题的逐一分析，最终得出泵体本身的问题和供水量不足为影响装置检定范围的最主要的问题。在分析、排查问题的过程中，系统学习了气表检定装置的理论知识，进一步提高了自身的实践能力，为今后顺利开展气表检定工作奠定了扎实基础。最后，班组对现场分析处理的数据进行了整理和处理，这些第一手宝贵的资料，利于以后排查、分析设备问题。

参考文献：

[1] JJF1240-2010,临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置校准规范[S].