浅谈临界流文丘利喷嘴在气体流量计量中的实际应用

 临界流文丘利喷嘴（以下简称喷嘴）在国内的研究始于上世纪70年代，ISO于1983年公布了喷嘴的标准草案。经过多年的研究与发展，喷嘴以其结构简单、性能稳定、体积小、没有可动部件、气源既可用高压也可用负压方式、作为流量计量标准既可离线也可在线使用，以及准确度高等特点而受到国内流量行业的广泛注意。尤其是1990年ISO 9300的公布和JJG 620-1994的施行，使其发展更为迅速。近年来喷嘴不仅作为试验室的气体流量标准，而且在天然气流量计量中作为在线标准进行现场校准也发挥了积极作用。

一、临界流文丘利喷嘴的基本原理
1.原理
    临界流文丘利喷嘴是个孔径逐渐减小的流道，孔径最小的部分称为喉部，在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。喷嘴可随着其下游扩大管长度的不同可得到不同的临界压力比，最大可以达到0.9。当气流通过喉部时气流速度可达到音速，此时马赫数等于1，流量只与上游压力有关（与下游压力无关），流出系数只与雷诺数有关。所以适合于作为气体流量计量标准使用。
2.数学模型
    在理想条件下，理论上可以导出喷嘴的质量流量q为
    q=AC（1）
    式中：A———喷嘴喉部的内截面积；R———气体常数；C———理想条件下的临界流函数。
    C=（）（2）
    式中：P———喷嘴前的气体滞止压力；T———喷嘴前的气体滞止温度；r———比热比。
    在实际条件下喷嘴的质量流量q为
    q=ACC（3）
    式中：C———实际气体的临界流函数，它是假定气体为一维等熵流动的条件下，利用真实气体的热力学性质表计算出来；C———流出系数，它是对“一维、等熵流动”这种假设条件的修正，实验表明C只是雷诺数Red的函数。
    Red=（4）
    式中：Red———喷嘴的喉部雷诺数；d———喷嘴喉部直径；μ———气体在滞止条件下的动力粘度。
    从式（3）可知，只要试验得到流出系数C，就可按测得的滞止压力P0和滞止温度T0（由此查表可知C*）计算出质量流量。
    下式为ISO 9300标准中拟合的C与Red的关系式
    C=a-bRed（5）
    如果对C不进行校验而直接按式（5）进行计算，则不确定度为0.5%；要使不确定度优于0.5%，比如说0.2%，则必须对C进行实际校验。
二、临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置的研究
1.装置的组成
    这是建立在实验室内的一套气体流量标准装置，由以下五部分组成。第一部分气源，为水环式真空泵。第二部分标准部分，根据所需流量范围计算了11块喷嘴，按 ISO 9300：1990和JJG 620-1994规定有两种安装方法：其一喷嘴上游管道为圆形截面；其二喷嘴上游为一大空间（即喷嘴上游距喷嘴中心线及入口平面5d以内无器壁可认为是大空间）。根据后一要求，设计长为3.168m，直径为0.500m，体积约为0.6m3的滞止容器，将11块喷嘴安装在容器内。第三部分在滞止容器上设计出测量喷嘴上游滞止压力、滞止温度的位置及调节喷嘴流量的阀门。第四部分为安装被检流量计试验管道，这部分主要由被检流量计的前后直管段、气动伸缩器、被检表的测温、测压仪表等。第五部分为工控机数据处理部分，主要包括计算机采集系统、控制柜、打印机等。
2.装置的测量原理
    装置采用负压方式，气源为三台水环式真空泵，根据流量大小并联使用。启动真空泵，将大气中的空气吸入试验管道，气流通过被校流量计进入滞止容器，根据所需流量打开所选择的喷嘴阀门。由于大气压高于滞止容器里的压力，所以空气从试验管段经过被校流量计、喷嘴，当气流流经喷嘴喉部时达到音速，这样使得下游压力的变化将不再影响流量。由于大气的压力和温度保持不变，所以通过流量计时就为恒定流量。此时测量喷嘴上游的滞止压力和滞止温度，同时测量流量计的压力和温度，将这些信号送入工控计算机，计算出喷嘴的流量和流量计的流量，按规程计算流量计的基本误差、重复性。计算机对所采集的参数自动进行数据处理并可显示、打印、存储等。该装置适合于校准速度式流量计、质量流量计等。
三、临界流文丘利喷嘴作为在线标准在天然气流量计量中的应用
1.问题的提出
    由于日益严峻的环境压力和世界能源危机的挑战，天然气作为一种优质、高效、清洁、低成本的能源和重要的化工原料愈来愈受到人们的青睐。提高天然气流量的测量准确度可以获得可观的经济效益，已经成为不争的事实。由于临界流文丘利喷嘴的特点，不仅可用于实验室内而且还可在现场对天然气进行在线流量计量。
2.现场的状况
    根据油田天然气计量的情况，多数采用标准孔板加双波纹管差压计的方式，按部颁标准天然气交接计量的不确定度为3%。估计实际情况要超出这个范围，主要原因如下：
    （1）节装置孔板由于长期使用，孔板的锐角磨损变钝；
    （2）目前定期检测节流装置孔板时，一般是检测双波纹管差压计并对孔板采用几何尺寸法进行检查，这种离线检测难以消除系统偏差的影响；
    （3）双波纹管差压计的灵敏度较差，当现场瞬时流量发生变化时不能及时反映出来，变化后又不能及时恢复过来；
    （4）节流装置孔板安装不当。
3.活动式临界流文丘利喷嘴在线检测装置的研究
    装置技术指标如下：
    压力范围：高压（1.0～1.6）MPa；
    低压（0.06～0.1）MPa
    流量范围：（0.5～28）万m3/d
    测量介质：伴生气和气井气的天然气
    根据技术指标中的压力和流量参数共设计了6个喷嘴，采用并联组合的方式，低压下并联组合后最大流量约为9.4万m3/d，在高压下并联组合最大流量约为60万m3/d。
4.装置的测量原理
    该装置为车装式，总体要求紧凑，所以设计成耙犁式装载在车上。试验时将装置的试验管道与现场节流装置孔板的管道串联后即可实现在线检测。该装置主要由过滤器、阀门、滞止容器和安装在其内部的喷嘴组、调节流量用的阀门、测压、测温、检漏用仪表及计算机采集系统、变送器信号安全栅隔离箱等组成。整套装置的外型尺寸为2.2m×4.0m,重量为1.5吨，可以装在载重5吨的解放牌卡车上。为了方便喷嘴的更换和校验，在装置结构上考虑喷嘴复检和更换的方法。该装置适合对大口径不易拆卸的现场流量计进行在线检测。