基于正壓法流量校準(zhǔn)裝置用氣需求的儲(chǔ)氣罐管路改造

劉鑫鑫 戴 錚

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國(guó) 上海 201210）

0 前言

流量校準(zhǔn)裝置是環(huán)控試驗(yàn)室必不可少的工藝設(shè)備，其主要作用有以下兩個(gè)方面：①環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)中，需要使用流量計(jì)進(jìn)行氣體流量測(cè)量。針對(duì)不同的試驗(yàn)流量計(jì)需要拆卸及重新安裝，其測(cè)量精度可能會(huì)發(fā)生變化，需要通過(guò)流量校準(zhǔn)裝置來(lái)對(duì)流量計(jì)的測(cè)量誤差進(jìn)行判斷，以保證流量計(jì)的準(zhǔn)確性；②管路流量計(jì)加裝時(shí)由于受限于直管段不足，流量計(jì)讀數(shù)往往不準(zhǔn)確，需要通過(guò)流量校準(zhǔn)裝置對(duì)加裝流量計(jì)后的管路進(jìn)行標(biāo)定，得出真實(shí)流量與流量計(jì)讀數(shù)的關(guān)系，作為試驗(yàn)時(shí)流量測(cè)量的依據(jù)。因此流量校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性關(guān)系到環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)的流量測(cè)量準(zhǔn)確性。

1 流量校準(zhǔn)裝置

環(huán)控試驗(yàn)室采用音速噴管為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的正壓法空氣流量校準(zhǔn)裝置（圖1），裝置主要包括流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴嘴計(jì)量段總成及裝置鑒定管線等。校準(zhǔn)裝置上游接試驗(yàn)室已有供氣系統(tǒng)，下游經(jīng)過(guò)消音器排出室外。

圖1 流量校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 文丘里噴嘴示意圖

本流量校準(zhǔn)裝置采用的音速噴管為文丘里噴嘴（圖2），該噴嘴按照一定的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)下游與上游壓力之比達(dá)到臨界壓力比的條件時(shí)，在噴嘴喉部形成臨界流狀態(tài)，氣流達(dá)到最大速度（音速）。流過(guò)噴嘴的氣體質(zhì)量流量也達(dá)到最大值qm。此時(shí)qm只與噴嘴入口處的滯止壓力和溫度有關(guān)，而不受下游狀態(tài)變化的影響。流經(jīng)臨界噴嘴的質(zhì)量流量qm可按下式計(jì)算：

式中：qm——通過(guò)臨界流噴嘴在實(shí)際條件下的質(zhì)量流量；

A*——臨界流噴嘴喉部的截面積；

C——臨界流噴嘴的流出系數(shù)；

C*——實(shí)際氣體的臨界流函數(shù)；

P0——噴嘴前氣體的絕對(duì)滯止壓力；

T0——噴嘴前氣體的絕對(duì)滯止溫度；

RM——8.31441J/(mol)通用氣體常數(shù)。

從上述公式可知， 影響噴嘴流量穩(wěn)定性的有 A*、C、C*、T0、P0等幾個(gè)參數(shù)，其中 A*、C、C*為噴嘴固有參數(shù)不會(huì)影響流量穩(wěn)定性，T0、P0為噴嘴前滯止溫度和滯止壓力，由于上游供氣為空壓機(jī)氣源系統(tǒng)，上游溫度為室外大氣溫度，因此噴嘴前滯止溫度基本不變；上游壓力由于空壓機(jī)的特性會(huì)存在一定的波動(dòng)，導(dǎo)致噴嘴前滯止壓力也會(huì)存在一定波動(dòng)，從而會(huì)影響流量校準(zhǔn)裝置流量穩(wěn)定性。綜上所述，要確保本套流量校準(zhǔn)裝置流量穩(wěn)定性一定要保證上游供氣壓力穩(wěn)定、波動(dòng)小。

2 儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)管路改造

2.1 儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)

環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)為保證下游供氣穩(wěn)定，在氣源系統(tǒng)下游配置了儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)（圖3），儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)主要包括兩個(gè)100立方米的罐體、連接上下游系統(tǒng)的管路、閥門(mén)、補(bǔ)償管路等。由于環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)用氣量較大，為滿足用氣需求，儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用管路將兩個(gè)罐體并聯(lián)進(jìn)行供氣，兩個(gè)儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣口和出氣口處都設(shè)置手動(dòng)閥門(mén)，試驗(yàn)用氣量小時(shí)可以關(guān)閉一個(gè)罐體進(jìn)出口的閥門(mén)，只使用一個(gè)罐體進(jìn)行供氣，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖3 儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)示意圖

2.2 儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)管路改造

正壓法流量校準(zhǔn)裝置對(duì)于上游供氣壓力的穩(wěn)定性要求很高，根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的描述，為提供穩(wěn)定的流場(chǎng)，正壓法音速噴嘴氣體流量裝置需設(shè)置穩(wěn)壓罐以穩(wěn)定壓力。目前儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)是將兩個(gè)儲(chǔ)氣罐并聯(lián)進(jìn)行供氣，儲(chǔ)氣罐主要是起到儲(chǔ)氣的作用，并聯(lián)儲(chǔ)氣罐出口匯流處由于兩個(gè)罐體壓力差異容易產(chǎn)生新的壓力波動(dòng)。此外，氣源系統(tǒng)提供的壓力與流量校準(zhǔn)裝置上游所需壓力相差過(guò)大，壓力調(diào)節(jié)難度大，且調(diào)壓活門(mén)下游容易產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，影響流量校準(zhǔn)裝置的流量穩(wěn)定性。

圖4 儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)管路改造示意圖

根據(jù)流量校準(zhǔn)裝置的用氣需求，在原有儲(chǔ)氣罐管路規(guī)劃的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了管路改造，改造結(jié)果如圖4所示。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供氣時(shí)關(guān)閉減壓閥門(mén)，打開(kāi)手動(dòng)閥門(mén)1、2、3、4就可以將兩個(gè)儲(chǔ)氣罐并聯(lián)在一起進(jìn)行供氣；當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)供氣時(shí)，打開(kāi)手動(dòng)閥門(mén)1、4及減壓閥，關(guān)閉手動(dòng)閥門(mén)2、3，上游氣體首先通過(guò)閥門(mén)1流入儲(chǔ)氣罐1，再通過(guò)減壓閥減壓后流入儲(chǔ)氣罐2，最后通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)4流出至下游流量校準(zhǔn)裝置，這樣儲(chǔ)氣罐1主要起到儲(chǔ)氣作用，而儲(chǔ)氣罐2則作為穩(wěn)壓罐主要起到穩(wěn)壓作用，這樣就可以保證儲(chǔ)氣罐出口壓力穩(wěn)定，從而滿足流量校準(zhǔn)裝置用氣需求。

3 結(jié)語(yǔ)

流量校準(zhǔn)裝置在環(huán)控系統(tǒng)試驗(yàn)中是不可或缺的，正壓法音速噴嘴氣體流量校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性主要取決于上游供氣壓力穩(wěn)定與否，為保證上游供氣壓力穩(wěn)定，對(duì)原有的儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)管路進(jìn)行了改造，具有很強(qiáng)的實(shí)踐操作指導(dǎo)意義。

［1］郭愛(ài)華.標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].自動(dòng)化儀表,2009,30(8)：50-54.

［2］宋德星.臨界流文丘里噴嘴測(cè)量不確定度分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013(12).

［3］王池,王自和,張寶珠,孫淮清.流量測(cè)量技術(shù)全書(shū)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

［4］王東偉,段慧明.pVTt法微小氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試,2000(3)：37-43.

［5］王強(qiáng).負(fù)壓法音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用[J].上海計(jì)量測(cè)試,2013(6).