DN600大口徑氣體流量計 標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計工藝詳解
為了向山西省“氣化山西”戰(zhàn)略實施提供技術(shù)支撐,有效推進(jìn)四氣(天然氣、煤層氣、焦?fàn)t煤氣、煤制氣)合一工作,同時向企業(yè)提供過程檢測、氣體能源計量等氣體流量計的量值傳遞與溯源服務(wù),山西省計量院積極開展了“DN600大口徑氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置”的研制,該裝置采用音速噴嘴法和標(biāo)準(zhǔn)表法兼顧的工作方式,既可滿足科學(xué)研究需要的高準(zhǔn)確度,又可滿足日常檢定的工作效率需要,同時具有較好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。裝置的流量范圍為(1-15000)m3/h,音速噴嘴法系統(tǒng)不確定度優(yōu)于0.25% (k=2 ),標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)不確定度為0.32oIo-0.35% (k=2),被檢表口徑為DN 15mm-DN600mm。裝置的成功研制,填補(bǔ)了我國法制計量對DN600大口徑氣體流量檢測的空白,保障我國對上述各種流量計的檢定規(guī)程的有效實施。本文將著重從裝置的臨界流文丘里噴嘴法系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)、檢測管線系統(tǒng)、動力氣源系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性等方面,談一談裝置的技術(shù)工藝設(shè)計。
一、臨界流文丘里噴嘴法系統(tǒng):
1.音速噴嘴的確定:
2.音速噴嘴法系統(tǒng)的設(shè)計:
裝置的設(shè)計方案要求音速噴嘴法系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度應(yīng)達(dá)到Urel=0.25%(k=2),并保證在不同的流量點,噴嘴能在臨界流狀態(tài)下運行。 為確保在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài),裝置達(dá)到系統(tǒng)的綜合不確定度技術(shù)要求,12只噴嘴采用了大空間安裝方式, 以保證檢測流量計時滯止容器內(nèi)流場穩(wěn)定、流速近似滯止?fàn)顟B(tài),
目前音速噴嘴法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置大多數(shù)是一套獨立的系統(tǒng),只可對被檢流量計實施檢測。 由于本裝置是音速噴嘴法和標(biāo)準(zhǔn)表法一體化的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置, 音速噴嘴法檢測系統(tǒng)不僅可以檢測被檢流量計,同時具有對一體化裝置中的標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計進(jìn)行在線校準(zhǔn)的功能,原理如圖1所示。
表1 噴嘴的流量范圍及數(shù)量
圖1 音速噴嘴法檢測原理圖
二、標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng):
1.標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)的設(shè)計:
檢測時,用高壓風(fēng)機(jī)將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入,經(jīng)過被檢表進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)表組匯管,通過標(biāo)準(zhǔn)表后的流量調(diào)節(jié)閥控制檢測流量, 當(dāng)流量穩(wěn)定后,利用計算機(jī)采集標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計組的流量,與采集到的被檢表的值進(jìn)行比較和計算,實現(xiàn)被檢表在不同流量點下的檢測,原理如圖2所示。
表2 標(biāo)準(zhǔn)表組技術(shù)參數(shù)及數(shù)量
圖2 標(biāo)準(zhǔn)表法檢測原理圖
為了方便檢測工作,檢測管線系統(tǒng)可滿足各系統(tǒng)共用的同時,覆蓋了所有的被檢表口徑。 管線組設(shè)計5個工作 臺 位 , 包 括14種 規(guī) 格 口 徑 :DN15/20/25、DN40/50、DN80/100、DN150/200/250/300DN400/500/600。 在 檢測管線上安裝有氣動伸縮器,夾表臺位可以平穩(wěn)移動和調(diào)整,
四、動力氣源系統(tǒng):
1.臨界流噴嘴系統(tǒng)動力氣源的設(shè)計:
2.標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)動力氣源的設(shè)計:
設(shè)計方案要求標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)動力氣源的***大抽氣量要大于15000m3/h, 從設(shè)定***大流量點到流場穩(wěn)定、具備檢定條件的準(zhǔn)備時間應(yīng)控制在3min內(nèi)。
表3 真空泵的技術(shù)參數(shù)及數(shù)量
表4 高壓風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)及數(shù)量
根據(jù)設(shè)計方案要求,檢測控制系統(tǒng)所控制對象包括介質(zhì)源系統(tǒng)、氣體流量檢定系統(tǒng)、流量組合選擇系統(tǒng)、 多媒體系統(tǒng)及其他設(shè)備。 要求控制系統(tǒng)可靠、高效,實現(xiàn)各子系統(tǒng)的測控和協(xié)調(diào)工作,完成檢測工作。檢測控制系統(tǒng)由控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及軟件子系統(tǒng)3部分組成,如圖3所示。
1.控制子系統(tǒng) 控制真空泵吸口閥門、卸真空閥門、氣缸閥的選擇和開關(guān);控制真空泵、空壓機(jī)等設(shè)備的啟停。
2.數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng) 自動采集系統(tǒng)溫度、壓力、濕度等信號;自動采集被檢表的流量信號,包括電流(4~20)mA、直流電壓(1~5)V、脈沖信號、低頻信號等。
3.軟件子系統(tǒng) 自動檢測整套裝置氣密性和夾裝流量計后整套裝置的氣密性。對各種標(biāo)準(zhǔn)流量計、被檢流量計、溫度傳感器、壓力傳感器和其他設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置??梢詫娮斓慕M合流量或標(biāo)準(zhǔn)氣體渦輪流量計的組合流量和高壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量通過自動化控制系統(tǒng)和RS232/485接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)上。能自動、手動選擇氣環(huán)真空泵及高壓風(fēng)機(jī),能監(jiān)視動力中心的實時狀況。隨同檢測結(jié)果自動給出流量—誤差特性曲線??蓪Ω鞣N流量計按照檢定規(guī)程進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)及檢測、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果判定,并可打印設(shè)定格式的記錄及報告。
圖3檢測控制系統(tǒng)示意圖
六、變頻控制系統(tǒng):
根據(jù)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》的要求,裝置檢測時每個噴嘴必須做一次背壓比實驗,需要通過變頻方式來控制噴嘴的背壓比以完成檢測工作。而在使用標(biāo)準(zhǔn)表組檢測流量計時,動力源高壓風(fēng)機(jī)所配電機(jī)的額定功率較大,檢測中風(fēng)機(jī)需要較頻繁啟動,直接啟動電機(jī),啟動電流過高不僅影響電機(jī)正常使用壽命,且對電網(wǎng)拖動過大,利用變頻器實現(xiàn)電機(jī)軟啟動、補(bǔ)償功率因素等功能來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,不僅減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,還可以延長設(shè)備和閥門的使用壽命,給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護(hù),同時達(dá)到節(jié)能的目的。
本裝置中采用了變頻控制系統(tǒng),分別對真空氣環(huán)泵與高壓風(fēng)機(jī)在檢測過程中進(jìn)行變頻調(diào)節(jié),并加裝配套過濾器,用以消除對變頻器的干擾。
七、主要輔助系統(tǒng):
1.輔助氣源系統(tǒng)的設(shè)計:
為確保各系統(tǒng)間快速有效的無泄漏連接與關(guān)閉同時減輕勞動強(qiáng)度、提高工作效率,本裝置還設(shè)計有壓縮氣泵、儲氣罐、氣動三聯(lián)件、連接管線、法蘭和閥門等,其中儲氣罐依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011《固定式壓力容器》的要求設(shè)計,容積為1 m3,耐壓等級為10kg.
2.緩沖容器的設(shè)計:
為保證進(jìn)入裝置的氣體相對穩(wěn)定并在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài),音速噴嘴法系統(tǒng)中增加了容積為2m3、厚度為6mm、帶有調(diào)壓功能的不銹鋼緩沖容器。
3.供電系統(tǒng)的設(shè)計 :
本裝置的供電系統(tǒng)所采用的電氣設(shè)備可有效地將信號采集、處理線路和變頻泵等動力用電有效隔離。此外還可給現(xiàn)場裝置上所用的儀表、閥門、泵、電機(jī)等設(shè)備提供電源,提供的供電電源有:DC12V,1A;24V,0.5A;-12V ,0.5A。并且有過載、過壓、過流及漏電保護(hù)措施。
4.裝置中壓力和溫度的設(shè)計:
本裝置在被檢表、標(biāo)準(zhǔn)表的前后及滯止容器上分別安裝有0.05級的絕壓變送器和不確定度為0.10C的溫度變送器,檢測氣體介質(zhì)的溫度及壓力在檢測過程中的變化并對流量測量值進(jìn)行補(bǔ)償,同時計算噴嘴背壓比。滯止容器上的滯止壓力和滯止溫度均勻差不超過0.20C 。
5.計時器設(shè)計:
為了系統(tǒng)及時采集數(shù)據(jù),累積流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,采用高準(zhǔn)確度的計時器,其晶振準(zhǔn)確度}1×10},滿足8h的穩(wěn)定度蕊1 x 10-,晶振可拆裝且?guī)в芯д裥盘栞敵鰴z測口,便于計量檢定。
6.夾表裝置及伸縮器:
伸縮器采用外缸推動伸縮方式,伸縮量程可滿足各種類型長度的流量計。夾表裝置設(shè)計具有同心定位結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)方便快速夾裝。
本裝置DN300以下設(shè)計用音速噴嘴法,DN300及以上口徑,設(shè)計用渦輪流量計標(biāo)準(zhǔn)表法,具有非常良好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。 一塊表檢30%、60%、100%3個點,各檢3次,按渦街流量計Vmax=35m/s,每個檢測點耗 時約15min,每塊表按耗時2h計算,分別采用標(biāo)準(zhǔn)表法風(fēng)機(jī)氣源、音速噴嘴法氣環(huán)真空泵氣源、音速噴嘴法水環(huán)真空泵氣源等3種方法 (按1000m3/h工況流量估算氣源功率:風(fēng)機(jī)18.5k W;氣環(huán)真空泵35k W;水環(huán)真空泵:45k W),能耗數(shù)據(jù)分析如表5所示。