臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置泄漏分析

權亞強， 侯雪丹

(成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川成都610100)

負壓法臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置是常見的檢定膜式燃氣表的標準表法氣體流量標準裝置之一，且在實踐中得到了廣泛應用。本文將結合負壓法臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置(以下簡稱檢定裝置)的原理和結構特點，針對實際工作中遇到的泄漏方面的問題進行討論。本文中的壓力指絕對壓力。標準狀態指壓力為101 325 Pa，溫度為293.15 K。

1 檢定裝置概況

① 檢定裝置組成

臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置組成見圖1，檢定裝置由檢定氣路系統、信息采集系統、操作控制系統和顯示系統組成。

a.檢定氣路系統

由大氣進口、串聯被檢表組的進口閥組(由GL1、GR1組成)及出口閥組(由GL2、GR2組成)、串聯被檢表組、滯止容器(裝有一組并聯且可實現特定流量組合的臨界流文丘里噴嘴)、各噴嘴支路閥組、噴嘴支路匯入的背壓容器(匯管)、真空泵和大氣出口組成。

b.信息采集系統

由氣流參數采集模塊和噴嘴校準證書參數采集模塊組成。氣流參數采集模塊實現氣流濕度、溫度、壓力和檢測時間等參數的采集，濕度通過大氣進口處的濕度傳感器RH采集，溫度和壓力由分別設置在串聯被檢表組的左側、右側和滯止容器上的溫度傳感器和壓力傳感器采集，檢測時間通過晶振采集。噴嘴校準證書參數的采集包含噴嘴喉部直徑d、雷諾數Red、流出系數Cd等氣流參數的采集，是從操作控制系統的校準證書模塊采集到的。

c.操作控制系統

由操作界面、真空泵啟停系統、被檢表夾裝系統、被檢表流量參數設置模塊、氣密性參數設置模塊、計量特性要求設置模塊、校準證書模塊、結果計算與判定模塊組成。其中被檢表夾裝系統由檢測臺面、進出氣口密封圈、連接管路升降裝置、動力氣路系統及氣缸等組成。被檢表流量參數設置模塊按照檢定裝置制造商聲稱的能力設置，氣密性參數設置模塊按照制造商聲稱的能力和企業操作水平設置，計量特性要求設置模塊按照技術規范和法制計量要求設置，校準證書模塊是通過操作人員將證書的校準信息錄入操作控制系統的證書模塊而實現的，結果計算與判定模塊由檢定規程或標準要求或合同規定設計。

圖1 臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置組成

d.顯示系統

由顯示界面、實時數據顯示模塊等組成。

② 檢定裝置原理

檢定裝置原理見圖2，圖中，信息采集系統采集串聯被檢表組上光電采樣器的脈沖數信號Ni、脈沖開啟信號Soi、脈沖關閉信號Sci(包含12只表，i=1～12)。檢定裝置運行時，啟動真空泵，開啟閥門GL1和GL2(或GR1和GR2)和所需噴嘴支路閥門，空氣通過進口閥GL1(或GR1)進入管道，流經串聯被檢燃氣表組，經出口閥GL2(或GR2)流向滯止容器，再從滯止容器的臨界流文丘里噴嘴組流向所需支路管道，經噴嘴支路閥進入匯管，從真空泵排出。

檢定時，在相同時間間隔內，氣體連續地流過串聯被檢表組與滯止容器中的臨界流文丘里噴嘴支路組成的串聯管路系統。當管路無任何泄漏時，根據連續性方程，流過管路任意截面的質量流量相等，所以采用臨界流文丘里噴嘴喉部的質量流量作為標準流量對被檢燃氣表進行檢定和校準。

在每只燃氣表處都安裝有差壓變送器、光電采樣器。差壓變送器用于每只燃氣表壓力損失的測量。光電采樣器用于被檢燃氣表體積的采集，燃氣表計數器刻度字輪上有反射點，光電采樣器工作時，對刻度字輪上轉動的反射點進行光電采樣，刻度字輪轉動1圈，光電采樣器就采到1次，代表一定的通氣量。檢定過程中，被檢燃氣表對應的差壓變送器、光電采樣器測得的量傳送到操作控制系統中進行計算與判定，判定結果傳送到LED顯示，在對應表位上顯示誤差和壓力損失。

2 泄漏原因分析與維護措施

檢定裝置在工作狀態可能泄漏點基本上都屬于靜密封點，但由于在檢定過程中串聯管路的被檢表接入和卸下的工作特點，使被檢表進、出氣口管接頭與氣路系統進氣管、出氣管連接處經常處于變化狀態，給檢定裝置保持氣密性帶來一定難度。由于檢定裝置配套傳感器或儀表的檢定周期需求，這些配套設備拆出送檢和裝回檢定裝置時可能帶來泄漏風險。由于檢定過程中閥組按需打開和關閉，且經常處于快速開關切換狀態，閥組泄漏對檢定裝置的檢定過程也會帶來一定風險。

① 被檢表管接頭與氣路管道連接處

燃氣表檢定機構或燃氣表制造商的校準檢定工序一般是一組接一組對燃氣表進行檢定，每組中每一臺被檢表的進、出氣口管接頭與氣路系統連接處在開始檢測時，都要進行細致檢查，對不合格的密封圈要進行更換，當檢定裝置依靠檢測臺面夾緊表體時，還要對檢測臺面的平面度和水平度進行檢測，以保持檢定時表體處于直立狀態。日常檢定時應采取以下維護措施。

a.被檢燃氣表進出氣口和表體底平面符合檢定裝置要求。檢查被檢表接頭上端面平齊度和接頭中心距，必要時調整檢定裝置進出氣口接頭距離；檢查表體底平面并清除顆粒物，如果有墊塊應保證墊塊上下面平行。

b.密封圈檢查。檢查表體進出氣口密封端面是否有缺陷，若密封端面受損或存在凸起就會造成密封圈變形受損影響氣密性，反復使用可能導致泄漏。應定期更換密封圈，以保證串聯被檢表組與進出氣口結合處的密封性。

圖2 臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置原理

c.清除掉落到密封面的污染物或雜質。被檢表管接頭與氣路管道連接處存在污染物或雜質，可能造成結合面處存在間隙，使密封性能下降造成泄漏。

② 氣動角座閥

氣動角座閥廣泛應用于短時間內頻繁啟閉場合，具有反應迅速、動作靈敏的特點，配合電磁閥使用，用氣動控制可準確控制氣體、液體流量，實現準確控溫等要求[1]。在使用過程中，氣動角座閥也有可能發生泄漏，泄漏原因分析及措施如下。

a.閥芯使用時間過長，造成閥芯頭部磨損腐蝕，可向下調節閥桿以減小空隙。b.氣動角座閥閥芯周圍受到介質腐蝕，應取出閥芯進行研磨，嚴重時應更換閥芯。c.氣動角座閥閥內有焊渣、鐵銹等污染物堵塞，應拆卸進行清洗。d.在長期使用的情況下，角座閥中的彈性密封材料的物理及化學性質都會發生變化，密封材料發生溶解等是角座閥泄漏的重要原因之一。

③ 法蘭

在裝置工作過程中，內部的空氣介質引起的壓力脈動將不可避免地導致管道及連接部位發生小幅振動，造成墊片與法蘭密封面的微動磨損，從而降低法蘭連接的密封性能[2]。

④ 配套設備送檢后裝回時的氣密性檢測

當管路系統上所配備的壓力傳感器、溫度傳感器拆出送檢后重新裝回檢定裝置時，應按照制造商提供的方法對檢定裝置的氣密性進行檢測，一般是采用一組容積與燃氣表容積相近的標準密封器進行檢測。因為檢定裝置為負壓法檢定，所以氣密性檢測時被檢管路封閉系統內部壓力小于外部環境大氣壓力，若有泄漏，則大氣從外部環境進入被檢管路系統內部，導致壓力升高，若無泄漏則壓力無變化。

3 泄漏率計算公式推導

① 已知條件

假設檢定過程的氣流符合理想氣體狀態方程。由于被檢表的規格型號及檢定裝置已經確定，即單臺被檢表內凈容積、管路凈容積、滯止容器凈容積均已知。檢定過程中，封閉系統總凈容積為：

Vtot=mV1+V2+V3

(1)

式中Vtot——封閉系統總凈容積，m3

m——被檢表的數量

V1——單臺被檢表內凈容積，m3

V2——管路凈容積，m3

V3——滯止容器凈容積，m3

檢定過程中，氣密性檢定條件為：通過真空泵抽吸作用，在被檢管路內形成所需要的穩定檢測壓力pjc，然后關閉檢定氣路系統進氣口閥組和各噴嘴支路閥組，保持所需要的時間t，封閉系統內氣體的壓力變化不超過Δp，則表明檢定氣路系統在該壓力下檢定時的泄漏率符合要求。氣密性檢測方案有以下3種。

a.當關閉圖2中的串聯被檢表組的進、出口閥組(GL1、GL2和GR1、GR2)，可只對被檢表組內凈容積mV1及串聯被檢表組進、出口閥組所封閉管路凈容積Vg1的氣密性進行檢測。此時封閉系統總凈容積為mV1與Vg1之和。

此方案可用于安裝調試過程中串聯被檢表組管路連接的氣密性檢測，也可用于日常串聯被檢表組氣密性檢測及更換串聯被檢表組氣路管路閥門、溫壓傳感器后的氣密性檢測。

b.當關閉圖2中的串聯被檢表組的出口閥組GR2、GL2和噴嘴支路閥組K1，K2，…，Kn時，可只對滯止容器凈容積V3及兩個閥組所封閉管路凈容積Vg2的氣密性進行檢測。此時封閉系統總凈容積為V3與Vg2之和。

此方案可用于檢定裝置制造階段、安裝調試過程中滯止容器及管路連接的氣密性檢測，也可用于日常更換噴嘴支路管路閥門、溫壓傳感器后的氣密性檢測。

c.當關閉圖2中的串聯被檢表組的進口閥組GL1、GR1和噴嘴支路閥組K1，K2，…，Kn時，可對兩個閥組之間的串聯被檢表組內凈容積mV1、管路凈容積V2、滯止容器凈容積V3的氣密性進行檢測。此時封閉系統總凈容積見式(1)。

本文以第3種方案為例進行氣密性檢測方案的討論。

② 泄漏率計算公式推導

a.檢測過程分析

檢定裝置開始計量特性檢定前，先要對檢定氣路系統的氣密性進行檢測。封閉系統氣體溫度與環境溫度相同，均為293.15 K。以該封閉系統為研究對象，存在：

pjcVtot=n1RT

(2)

式中pjc——封閉系統檢測壓力，Pa

n1——封閉系統氣體物質的量，mol

R——摩爾氣體常數，J/(mol·K)，取8.314 462 1 J/(mol·K)

T——封閉系統氣體溫度，K

由于微小泄漏，經過一段檢測時間t后，對于封閉系統，存在關系：

(pjc+Δp)Vtot=(n1+Δn)RT

(3)

式中 Δp——泄漏引起封閉系統壓力變化量，Pa

Δn——泄漏引起封閉系統物質的量變化量，mol

式(3)減去式(2)再變形，可得：

(4)

由于存在關系：

pjcVm2=p1Vm1=RT

(5)

式中Vm2——在溫度T、壓力pjc下的氣體摩爾體積，m3/mol

p1——標準狀態壓力，Pa

Vm1——標準狀態下的氣體摩爾體積，m3/mol

因此可得到泄漏引起體積的變化量：

ΔV=Vm2Δn

(6)

式中 ΔV——泄漏引起體積的變化量(在pjc、T工況下)，m3

將式(4)、(5)代入式(6)，可得：

(7)

(8)

由式(8)可知，在密封性檢測時，在檢測時間5 min內，ΔV應不超過Vtot的0.1%。

在檢測時間t內的泄漏率q為：

(9)

式中q——泄漏率(在pjc、T工況下)，m3/s

t——檢測時間，s

b.壓力變化量限值的確定

依據JJF 1240—2010，泄漏引起封閉系統壓力變化量Δp不應超過檢測壓力pjc的0.1%。因此，檢測過程中，在考慮檢測溫度T不變、檢測時間t變化的情況下，壓力變化量限值為：

(10)

式中 Δpx——泄漏引起封閉系統壓力變化量限值，Pa

例如，在下文算例中，表1中壓力變化量Δp為10 Pa。Δp小于等于Δpx才合理，而按式(10)計算得出Δpx為125 Pa，Δp小于Δpx，因此表1中壓力變化量合理。

③ 算例

以第3種氣密性檢測方案為例進行計算。

以某地一臺負壓法臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置為例，假設密封性檢測時該裝置封閉系統總凈容積Vtot為0.05 m3。對于流量低區(最小流量qmin到分界流量qt的區間內)，規定在系統的檢測壓力為94 kPa的條件下封閉400 s，Δp不超過10 Pa。對于流量高區(分界流量qt到最大流量qmax區間內)，規定在系統的檢測壓力為90 kPa的條件下封閉50 s，Δp不超過15 Pa。根據式(9)，密封性檢測時，將規定的泄漏指標換算為各流量點泄漏引起的泄漏率，見表1。

表1 密封性檢測時各流量點泄漏引起的泄漏率

由上述分析計算可知，針對此臺臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置，在密封性檢測時各流量點設定泄漏相關指標時均應符合表1中的值。

綜上所述，在檢測過程中，可根據上述方法分析計算裝置在各流量點的泄漏率等參數并設定泄漏相關指標，以確保裝置泄漏造成的泄漏率在允許的范圍內。

4 結語

① 介紹負壓法臨界流文丘里噴嘴式燃氣表檢定裝置的組成和工作原理。對裝置泄漏的原因進行分析，提出處理方法及維護措施。

② 依據JJF 1240—2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置校準規范》，提出在考慮檢測溫度不變、檢測時間變化的情況下檢測過程中壓力變化量限值的計算方法。

③ 提出泄漏率的計算方法，根據此方法可在實際工作中對不同流量點的泄漏率等進行分析計算并設定泄漏相關指標。