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（以下簡稱噴嘴）在國內(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)過多年的研究與發(fā)展，噴嘴以其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小、沒有可動部件、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孔徑逐漸減小的流道，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)氣流通過喉部時氣流速度可達(dá)到音速，此時馬赫數(shù)等于1，流量只與上游壓力有關(guān)（與下游壓力無關(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———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；C———流出系數(shù)，它是對“一維、等熵流動”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
    C=a-bRed（5）
    如果對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0.2%，則必須對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)無器壁可認(rèn)為是大空間）。根據(jù)后一要求，設(shè)計(jì)長為3.168m，直徑為0.500m，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。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、氣動伸縮器、被檢表的測溫、測壓儀表等。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.裝置的測量原理
    裝置采用負(fù)壓方式，氣源為三臺水環(huán)式真空泵，根據(jù)流量大小并聯(lián)使用。啟動真空泵，將大氣中的空氣吸入試驗(yàn)管道，氣流通過被校流量計(jì)進(jìn)入滯止容器，根據(jù)所需流量打開所選擇的噴嘴閥門。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)過被校流量計(jì)、噴嘴，當(dāng)氣流流經(jīng)噴嘴喉部時達(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，所以通過流量計(jì)時就為恒定流量。此時測量噴嘴上游的滯止壓力和滯止溫度，同時測量流量計(jì)的壓力和溫度，將這些信號送入工控計(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)對所采集的參數(shù)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并可顯示、打印、存儲等。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愈受到人們的青睞。提高天然氣流量的測量準(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)場對天然氣進(jìn)行在線流量計(jì)量。
2.現(xiàn)場的狀況
    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)際情況要超出這個范圍，主要原因如下：
    （1）節(jié)裝置孔板由于長期使用，孔板的銳角磨損變鈍；
    （2）目前定期檢測節(jié)流裝置孔板時，一般是檢測雙波紋管差壓計(jì)并對孔板采用幾何尺寸法進(jìn)行檢查，這種離線檢測難以消除系統(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)場瞬時流量發(fā)生變化時不能及時反映出來，變化后又不能及時恢復(fù)過來；
    （4）節(jié)流裝置孔板安裝不當(dāng)。
3.活動式臨界流文丘利噴嘴在線檢測裝置的研究
    裝置技術(shù)指標(biāo)如下：
    壓力范圍：高壓（1.0～1.6）MPa；
    低壓（0.06～0.1）MPa
    流量范圍：（0.5～28）萬m3/d
    測量介質(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m3/d，在高壓下并聯(lián)組合最大流量約為60萬m3/d。
4.裝置的測量原理
    該裝置為車裝式，總體要求緊湊，所以設(shè)計(jì)成耙犁式裝載在車上。試驗(yàn)時將裝置的試驗(yàn)管道與現(xiàn)場節(jié)流裝置孔板的管道串聯(lián)后即可實(shí)現(xiàn)在線檢測。該裝置主要由過濾器、閥門、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、測壓、測溫、檢漏用儀表及計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)、變送器信號安全柵隔離箱等組成。整套裝置的外型尺寸為2.2m×4.0m,重量為1.5噸，可以裝在載重5噸的解放牌卡車上。為了方便噴嘴的更換和校驗(yàn)，在裝置結(jié)構(gòu)上考慮噴嘴復(fù)檢和更換的方法。該裝置適合對大口徑不易拆卸的現(xiàn)場流量計(jì)進(jìn)行在線檢測。