國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心的建立對深入開展以空氣、蒸汽等為介質(zhì)的氣體流量計量具有重要的意義。文中從裝置結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)特色等幾個方面，詳細介紹了國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心的蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置、15000L 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

1.引言

隨著科技進步和經(jīng)濟發(fā)展，氣體能源輸送、供氣供暖工程和工業(yè)廢氣排放等大型管道的使用日益增多，對大流量、大口徑氣體流量儀表的需求量逐年增大。同時，很多企業(yè)對以蒸汽等為介質(zhì)的氣體流量計進行實流檢測的要求也愈發(fā)強烈 。無論大流量、大口徑還是實流檢測，對計量部門都提出了新的挑戰(zhàn)。不僅要提升氣體流量計量技術(shù)水平，建設(shè)流量范圍更寬、口徑范圍更廣、準(zhǔn)確度等級更高、種類各全面的標(biāo)準(zhǔn)裝置，還必須配備與其工作任務(wù)相適應(yīng)的計量檢定人員和計量管理人員以及能保證工作正常進行的工作環(huán)境等，從而更好地開展氣體流量計的量值傳遞、型式評價和相關(guān)檢測技術(shù)的研究。面對氣體流量計量檢測需求帶來的挑戰(zhàn)，國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心近年來投入了大量的人力、物力進行探索研究，已建成蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置、15000L 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前均已通過中國計量科學(xué)研究院的檢定、校準(zhǔn)。

2、蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置：

2.1、裝置結(jié)構(gòu)：

蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置以過熱蒸汽為介質(zhì)，采用質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的技術(shù)手段，實現(xiàn)對蒸汽流量儀表的實流檢定。裝置主要由汽源系統(tǒng)、調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、檢定管路系統(tǒng)、冷凝稱重系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)組成，并配備高精度的溫度變送器和壓力變送器。蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。汽源為電廠發(fā)電后的蒸汽，最大流量可達 30t/h，滿足檢定的要求。汽源首先經(jīng)過調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)，然后進入穩(wěn)壓罐或直接進入檢定管路，再通過標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計。標(biāo)準(zhǔn)表法直接將蒸汽排空，比較相同狀態(tài)下通過標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢流量計的蒸汽流量。質(zhì)量法將一定時間內(nèi)通過被檢流量計的蒸汽送入換熱器冷凝，對冷凝水進行稱重計量，稱重獲得的冷凝水質(zhì)量與通過被檢流量計的蒸汽質(zhì)量進行比較，完成對蒸汽流量計的檢定。該裝置可開展 DN300 以下的渦街、渦輪、超聲波、彎管等各種蒸汽流量計的檢定、校準(zhǔn)和檢測工作，為提高蒸汽流量計量技術(shù)提供了試驗平臺。

2.2、主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）檢定介質(zhì)：水蒸氣；

（2）測量范圍：（0.01 ～ 30）t/h；

（3）測量口徑：DN15 ～ DN300 十條管線

（4）流量穩(wěn)定性：

質(zhì)量法 0.2%；

標(biāo)準(zhǔn)表法 0.3%；

（5）擴展不確定度：

質(zhì)量法

標(biāo)準(zhǔn)表法

2.3、技術(shù)特色：

蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置采用質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的技術(shù)方案，客戶可根據(jù)需要靈活選擇檢定和校準(zhǔn)方法，提高檢定效率。當(dāng)準(zhǔn)確度要求較高時可選擇質(zhì)量法，當(dāng)滿足準(zhǔn)確度要求并且考慮成本因素時可選擇標(biāo)準(zhǔn)表法。此外，還可以采用質(zhì)量法對標(biāo)準(zhǔn)表進行自檢。

蒸汽介質(zhì)的狀態(tài)可以得到有效調(diào)控。蒸汽汽源首先進入調(diào)壓穩(wěn)壓系統(tǒng)和穩(wěn)壓罐，使得蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置具備克服企業(yè)蒸汽管網(wǎng)上的負荷變化對氣源擾動的能力。檢定管路的前端安裝氣動壓力調(diào)節(jié)閥，后端安裝氣動流量調(diào)節(jié)閥，能夠相互配合精確調(diào)節(jié)管路中的蒸汽溫度、壓力，也便于今后開展不同熱力學(xué)參數(shù)對蒸汽流量計性能影響的相關(guān)研究。

3、鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

3.1、裝置結(jié)構(gòu)

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)置以空氣為檢定介質(zhì)，并配有穩(wěn)定的恒壓源 [4]。國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心的 15000L 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由鐘罩、液槽、補償機構(gòu)、檢定管路系統(tǒng)、風(fēng)機、自動控制系統(tǒng)等組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。首先啟動風(fēng)機，空氣通過水箱進入鐘罩，使得鐘罩提升。當(dāng)鐘罩上升到限位高度時，風(fēng)機和閥門自動關(guān)閉。待鐘罩內(nèi)壓力、溫度穩(wěn)定后，打開檢定管路閥門，鐘罩內(nèi)氣體通過檢定管路流經(jīng)被檢流量計排出，期間鐘罩以穩(wěn)定速度下降。檢定結(jié)束后，通過光電編碼器讀取鐘罩在檢定時間內(nèi)下降的位移，根據(jù)鐘罩橫截面積計算排出氣體的體積，除以檢定時間即得檢定時間內(nèi)的氣體流量。

3.2、主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）檢定介質(zhì)：空氣；（2）最大流量：900m³/h；（3）鐘罩內(nèi)壓力：5000Pa；（4）壓力波動：15Pa；

（5）裝置檢定段的標(biāo)準(zhǔn)容積值：

（6）測量口徑：

DN25 ～ DN200 六條管線； DN50 ～ DN200 三條立式管線；（7）裝置擴展不確定度

3.3、技術(shù)特色：

國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心的 15000L 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置全部采用 304 不銹鋼材料制作，鐘罩直徑達 2.65m，鐘罩提升后總高度達9m。由于加工成型后長途運輸困難，且容易變形，所以只能由生產(chǎn)廠家運送不銹鋼板原材料至實驗車間內(nèi)加工。鐘罩的焊接、卷軋、拋光直至加工成型全部在實驗車間內(nèi)完成，工作量大，加工難度高。

由于鐘罩容積較大，在補償、導(dǎo)向的設(shè)計上采取了多立柱、多導(dǎo)向、多補償?shù)男滦徒Y(jié)構(gòu)。將四個補償輪布置在四個立柱外側(cè)，既避免了鐘罩高度過高，也增強了鐘罩上升、下降的平穩(wěn)性。為了進一步降低鐘罩下降過程中的壓力波動，還專門設(shè)計了鐘罩的導(dǎo)向機構(gòu)。立柱上端經(jīng)平面軸承和立柱徑向定位機構(gòu)裝配在上橫梁上，立柱下端由調(diào)整緊定錐體及其定位部支撐。通過調(diào)整立柱上、下端中心距使立柱與鐘罩滑座得到最佳滑動配合狀態(tài)，機械摩擦較小，且摩擦均勻一致

。在檢定過程中應(yīng)盡量保持鐘罩內(nèi)各處溫度以及整個實驗室溫度一致，而風(fēng)機送風(fēng)則會使鐘罩內(nèi)空氣的溫度發(fā)生改變。為此，一方面在鐘罩的進氣管路上增加恒溫措施，通過恒溫換熱水箱，使進入鐘罩內(nèi)的氣體溫度得到有效控制，另一方面，在實驗室內(nèi)配備恒溫恒濕空調(diào)，保證鐘罩內(nèi)氣體溫度與實驗室溫度基本一致。

此外，15000L 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的 DN200 檢定管路與負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置聯(lián)通，可實現(xiàn)鐘罩對噴嘴的直接校驗、比對。

4、負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置：

4.1、 裝置結(jié)構(gòu)：

負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由整流器、檢定管路、音速噴嘴、滯止容器、出口容器和真空泵等構(gòu)成，如圖 3 所示?？諝庠谕ㄟ^音速噴嘴時，若音速噴嘴的上、下游壓力比達到某一定值，氣體在噴嘴處形成臨界流，質(zhì)量流量達最大值。此時，氣體的質(zhì)量流量只與音速噴嘴入口處的溫度和壓力有關(guān)，該溫度和壓力也稱為滯止溫度和滯止壓力 。

通過自動控制系統(tǒng)采集滯止溫度和滯止壓力，可計算出一定時間內(nèi)通過音速噴嘴的氣體質(zhì)量流量。將該流量作為標(biāo)準(zhǔn)流量，與通過被檢流量計的氣體質(zhì)量流量比較，從而實現(xiàn)對氣體流量計的檢定和校準(zhǔn)。

負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置安裝音速噴嘴 26 個，其中最小的音速噴嘴設(shè)計流量0.5m3/h，最大的音速噴嘴設(shè)計流量 1024m3/h。根據(jù)檢定流量的大小，控制系統(tǒng)自動選擇閥門進行不同的噴嘴組合。裝置采用 4 臺羅茨真空泵與 1臺水環(huán)真空泵組合，并為真空泵配備冷卻循環(huán)水池。

4.2、主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）檢定介質(zhì)：空氣；

（2）流量范圍：（0.5 ～ 16000）m3/h；

（3）測量口徑：DN25 ～ DN500 七條管線；

（4）裝置擴展不確定度：=0.25%，=2。

（5）裝置流量穩(wěn)定性：0.1%。

4.3、技術(shù)特色：

裝置噴嘴采用入口上游大空間安裝方式（如圖 4），即距離噴嘴入口 5 倍喉徑范圍內(nèi)無容器壁。在滯止容器壁上均勻布置溫度和壓力測量點。針對該安裝方式，專門設(shè)計了一套特制法蘭，噴嘴與法蘭的接觸部位設(shè)計由柔性極好的橡膠充填，提高了減震降噪性能。

置在一封閉實驗室內(nèi)?？諝馔ㄟ^檢定管路和被檢流量計進入滯止容器后，流經(jīng)音速噴嘴組、出口容器、緩沖罐、真空泵等最后排放到實驗室內(nèi)，然后進入地下氣體回收冷卻通道，重新進入裝置的進氣口，循環(huán)使用，避免在大流量時吸入實驗室以外不同溫度氣體，使氣體溫度變化太大，影響檢測效果。

 然而，當(dāng)流量較大時，真空泵的總功率較大，運行時仍會產(chǎn)生大量的熱，會隨著檢定工作時間加長而積累增加，造成循環(huán)使用的空氣溫度越來越高。并且，空氣以音速流過噴嘴的喉部，噴嘴整套負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè) 及滯止容器等部件會產(chǎn)生強烈的振動及振動噪音，給裝置的穩(wěn)定性帶來很大影響。為此專門設(shè)計了具有溫度調(diào)節(jié)功能的減振型滯止容器。新型滯止容器具有內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)的容器壁，兩層容器壁中通入循環(huán)冷卻水，形成水環(huán)夾層容器壁。水環(huán)夾層容器壁的進、出水管與可控溫度的貯水容器連通，通過循環(huán)驅(qū)動泵形成水循環(huán)系統(tǒng)。同時，滯止容器采用多段結(jié)構(gòu)設(shè)計，水環(huán)夾層采用多通道結(jié)構(gòu)設(shè)計，進一步提高溫控效果和效率。

5、總結(jié)：

文中從裝置結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)特色等幾個方面，詳細介紹了國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心的蒸汽流量實流標(biāo)準(zhǔn)裝置、15000L 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和負壓法音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

依托福建省計量科學(xué)研究院籌建國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心，進一步提升氣體流量計量技術(shù)水平，集中優(yōu)勢資源攻克氣體流量計量中存在的技術(shù)難題，使國家蒸汽流量計產(chǎn)品質(zhì)檢中心高端氣體流量檢測設(shè)備成為全國共享的檢測資源，不僅能為全國的氣體流量計用戶、生產(chǎn)企業(yè)提供檢定校準(zhǔn)和新產(chǎn)品研發(fā)試驗服務(wù)，還可作為全國氣體流量專業(yè)技術(shù)人員交流合作的平臺，聯(lián)合開展檢測手段和檢定方法的研究，共同促進氣體流量計量水平的提高。