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验证使用高压空气替代天然气作为涡街皇冠计检测介质的可行性


验证使用高压空气替代天然气作为涡街皇冠计检测介质的可行性,目前, 在管道沿线上越来越多地选用高压气体涡街皇冠计,从近年的统计来看,高压气体皇冠计的检定和校准数量占各类气体皇冠计的5%,而对此类气体皇冠计的检定或校准,由于实验室条件的限制,我们通常采用在常压下检测,无法达到与其使用条件相仿的环境下检测的目的。众所周知, 气体皇冠计是一种强烈依赖于使用条件的仪表, 其计量性能与流体的温度、 压力等参数密切相关。对于应用于高压下气体皇冠计量的气体皇冠计,若无法进行高压下的检定或校准, 将影响其工作状态下的计量准确度。
         
如果采用现场检测, 由于受环境条件及安装管道的影响,目前还没有行之有效的在线检测方法。作为国家法定计量检定部门, 我院针对小口径气体皇冠计的高压实流检测,研制了一套高压气体皇冠标准装置。
一、检测介质的选定
在工况条件下, 大部分的气体皇冠计使用的介质是一定压力的天然气。出于能源考虑和节能减排的要求,对于工况条件下使用高压天然气作为介质的气体皇冠计,我们在实验室做了大量试验, 验证使用一定高压空气来作为介质进行计量性能检测的可行性。
使用质量法对两组高压气体皇冠计进行高压下的检测试验,同时用一定压力的空气和天然气做对比试验。试验是在保持被检皇冠计进出口压力和温度基本相同的情况下进行的, 采用的检测方法是储气瓶和工业电子天平组成的质量法气体皇冠标准装置。 其中一组是两台气体质量皇冠计(准确度等级0.5级、型号规格DN15、编号分别是523#和548#),试验结果如表1所示;另外一组是两台气体涡街皇冠计(准确度等级1.0级、型号规格DN50、编号分别是041#和045#),试验结果如表2所示。
根据表1及图1, 在被检表为质量皇冠计的情况下,通过对两种不同介质进行检测, 得出的被检表的基本误差和重复性误差十分接近, 所得每个皇冠点的误差值最大相差为0.07%。因此,对于0.5级的被检表,检测介质的不同所带来的不确定度分量对计量检测总不确定度的影响非常微小, 对被检表计量性能的检测结果的影响可以忽略不计。
   根据表2及图2,当被检表为气体涡街皇冠计时,由于不同压力和温度情况下介质的雷诺数不同, 其对皇冠计的计量性能影响不同。测量储气瓶的容积、所储存气体质量、压力以及常压下的密度值(通过采样测量),计算标况下储气瓶的气体体积,然后进行误差分析。
   式(1)为雷诺数的定义,其中:v———管道内流体平均流速;D———管道内径;ρ———气体密度;η———流体的动力黏度。
根据理论分析,涡街皇冠计皇冠的表达式如式(2)所示,其中,f为涡街发生频率,在本皇冠装置上检测所得到的K系数计算见式(3)。 同时,根据流体力学理论,K为雷诺数Re的函数(见式(4),其中St为斯特罗哈数)。 对于涡街皇冠计,雷诺数越大,流速分布越平滑,漩涡发生体附近的流速越接**均流速,K值应为单调递减函数。 我们的试验是根据理想气体状态方程将试验皇冠换算成标况下的皇冠,将不同雷诺数(包括不同压力和温度下的CNG和压缩空气) 所得出的K系数换算成同一雷诺数下的后再进行数据比较。由表2所得的计量数据测试结果可以看出,进行K系数修正后,两个涡街皇冠计在不同介质下检测后得到的脉冲输出的相对示值误差最大相差0.13%。显然,介质不同带来的检测误差不确定度分量对于检测1.0级的被检表显然是可以接受的。
因此,从上述的理论分析和试验结果可以看出,对于使用介质为高压天然气的气体皇冠计, 使用空气来代替天然气进行标定是切实可行的。
二、标准装置的硬件设计
为确保气体皇冠计在检测时使用的介质为规定压力的高压气体,根据我院已有的质量法气体皇冠标准装置,通过综合论证设计出如下方案(见图3)。 现将思路描述如下:
1.空气压缩机输出高压空气到气瓶组进行高压储存,当高压气瓶组压力达到25MPa时, 压力控制器给出停止信号使空压机暂停工作;当气瓶组压力小于20MPa时,压力控制器发出信号启动空压机。 这样可以保证高压气瓶组的工作压力在(20~25)MPa区间。
2.应用单片机的数据采集和远程控制技术 ,根据被检皇冠计的工况压力来确定可调压力控制器, 控制出口端皇冠调节阀的开度选择工况皇冠及试验皇冠点。 同时在试验中为确保瞬时皇冠的稳定性, 在可调压力控制器后增加一套稳压气瓶组,在被检皇冠计前端压力为6MPa时装置输出气体皇冠可达400m3/h。
3.该装置采用0.2级质量皇冠计作为标准表 ,质量皇冠计的准确度和稳定性都很高, 整套装置的测量不确定度为0.3%。 若需要对质量皇冠计进行校准,目前,我们采用拥有0.1级的质量法气体皇冠标准装置(高准确度的电子天平加上气瓶组)进行当前工作压力下逐点校准。该装置的优点在于校准的方便性, 可以随时对标准质量皇冠计进行校准,提高测量准确度。
4.与此同时,由于被检气体皇冠计大多为涡轮、涡街皇冠计、差压式皇冠计, 需要在试验中进行质量皇冠和体积皇冠的换算,因此,该装置设计增加一套标准压力传感器和温度传感器。 另外,若被检皇冠计的工况介质与试验介质不同,需要对被检皇冠计的K系数进行工况介质的雷诺数修正。
三、软件设计
该套气体皇冠标准装置全部采用计算机控制,图4为计算机控制系统软件设计框图。通过采集压力传感器、温度传感器等参数, 控制可调压力控制器和皇冠调节阀来确保试验压力和试验皇冠,实现数据自动采集、检测证书自动打印等功能。
本软件实现了各类传感器的数据自动采集功能,极大程度地降低了人工操作的失误率,提高了气体皇冠计的检测效率。 同时,加入了数据储存、联机查询等功能,实现了记录自动保存、证书(报告)自动打印等功能,更大程度地节约了人力物力, 保证了检测证书报告的准时率和准确率。 其优势具体体现在以下几个方面:
1.计算机全面代替手工操作,软件视窗里各类参数一目了然,增加或修改一键完成,将各个功能按钮集成在一起。
2.全面实现网络化计量器具管理,可以方便地查找包括原始记录在内的所有信息。 同时,加入了检定到期自动提醒功能,保证了计量器具量传的连续性、周期性、稳定性。
3.可以按规程或标准的要求编写证书或报告的格式,自动打印检测记录、检定证书、校准证书或结果通知书,同时将这些证书记录的电子版保存在服务器上,方便查询。
4.依靠SQL Server 2000强大的数据库管理和查询功能,本软件能够自动生成检定计划、检定通知单和任意条件查询所得出的报表,生成的报表有Word和Excel两种方式供使用者选择。
四、标准装置溯源
作为高压气体皇冠标准装置的研制, 我们研究了气体皇冠计量器具的量值传递,如图5所示,它包括从基本量和导出量、质量法气体皇冠标准装置、高压气体皇冠标准装置直至气体皇冠计量工作器具之间的量值传递关系和量值传递方法。
本文使用高压空气替代高压天然气作为检测介质进行了大量对比试验, 验证了使用高压空气替代高压天然气作为气体皇冠计检测介质的可行性。 在进行硬件设计和软件开发的基础上, 研究了一套小口径(DN50及以下)、测量不确定度为0.3%、工作压力为 (4~20)MPa可调、 皇冠最大可达到400m3/h的高压气体皇冠标准装置。 最后对计量器具量值传递关系进行了系统分析。
该套装置研究的创新之处在于用高压空气替代天然气,压力和皇冠保持稳定,实现了高压下进行气体皇冠计的检测或校准, 并且依靠功能强大的单片机技术和数据库处理实现了检测智能化、信息化。
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