臨界流文丘里噴嘴流量計的原理與應用
臨界流文丘里噴嘴流量計的原理與應用
隨著油氣田的開發, 高壓氣體的輸送和高壓大流量氣體流量的測量, 需要大量的流量儀表和標準裝置, 臨界流噴嘴流量計在解決高壓大流量氣體流量計量問題中起到了重要作用, 并得到了廣泛應用. 20 世紀70 年代以來, 英國國家工程實驗室、法國煤氣公司、英國煤氣公司工程研究所、美國國家標準局、Colorado 工程研究所、日本國家計量研究所以及我國的計量研究院等對臨界流噴嘴作了系統研究, 現已為ISO 采納為國際標準ISO9300 .
但是, 在臨界流噴嘴的實際應用中, 人們往往不能正確掌握使用方法而引起誤差. 使用流量公式時不能正確理解某些物理量的意義及使用單位, 尤其是臨界流函數中的參數應用, 從而造成數量級概念的錯誤.
1 臨界流噴嘴的結構及工作原理
我們已經知道, 當氣體流經一個漸縮噴嘴時, 如果保持噴嘴上游端壓力P0 和溫度T0 不變, 使其下游壓力P2 逐漸減小, 則通過噴嘴的氣體質量流量qm 將逐漸增加. 當下游壓力P2 下降到某一壓力PC 時, 通過噴嘴的質量流量將達到值qmax , 此時噴嘴出口的流速已達到當地音速a. 如果繼續降低下游端壓力P 2, 通過噴嘴的質量流量將不再增加, 流速也保持音速不變. 我們將噴嘴出口的流速達到音速的壓力P C 稱為臨界壓力, PC/ P 0 稱為臨界壓力比, 此時通過噴嘴的流量稱為臨界流量.
確定臨界流噴嘴的流出系數一般有以下3 種方法:
應用基本的物理定理, 列出數學方程式, 用理論的方法求解而得到流出系數.
用測定內部流場或外部流場的方法計算出通過噴嘴的實際流量, 從而確定流出系數.
總特性的測量, 即在氣體流量標準裝置上進行總特性試驗, 標定出流出系數.
種方法實際上比較困難, 它是用氣體動力學原理來分析流體經過噴嘴的特性以確定流出系數. 從理論上確定流出系數主要應估計兩個因素, 一是流體沿噴嘴管壁附面層的增長, 使流體實際的流通面積減小; 二是由于二維甚至多維流動的影響在徑向方向上的速度梯度而引起的理論流量與實際流量之間的偏差. 第二種方法, 即內流場法和外流場法, 是為了解決高壓大流量臨界流噴嘴的標定問題而提出的一種方法. 試驗表明, 內流場法由于檢測時易擾亂原流場, 校驗精度較低. 用外流場法測量臨界流噴嘴流出系數, 其不確定度為0. 3% 左右. 和PVTt 法標定結果比較, 偏差為0. 5%. 可見, 外流場法不失為工程校測大流量臨界流噴嘴的有效方法. 第三種方法是目前用得最多的一種方法, 即在氣體流量標準裝置上測得通過臨界流噴嘴的實際流量, 從而計算出流出系數. NEL、NBS、Colorado 等單位用正壓法標定得到的一系列流出系數C, 其實驗結果基本上都在ISO 曲線附近± 0. 2% 的范圍之內[ 3] .
用氣體流量標準裝置來標定臨界流噴嘴的流出系數具有準確度高、標定方便等優點. 流出系數的準確度, 也即臨界流噴嘴的準確度將取決于流出系數標定裝置的精度, 目前一般可達± 0. 2% 左右. 但由于設備條件限制, 只能標定小流量臨界流噴嘴( 一般qm < 5 kg / s) .
臨界流噴嘴的特點和應用
臨界流噴嘴作為一級傳遞標準, 在標定各種氣體流量計的高壓大流量特性, 特別是各種應用系統的在線標定, 起到了其它氣流量標準所不能替代的作用. 作為一種氣體流量計, 也有許多差壓式流量計不可比擬的優點.
首先, 有非常清晰的工作原理, 可以用一個半經驗公式表示, 在一級標準裝置上標定得到的流出系數可以推廣到不同操作條件而不喪失其準確度; 而且具有很好的復現性, 可以進行在線測量, 便于自動控制.
其次, 不受噴嘴上游端流速分布的影響, 因此上游端不需要很嚴格的直管段. 而且其流量值僅取決于噴嘴上游的流體參數, 不受下游壓力變化的影響. 通過噴嘴的質量流量與入口滯止壓力為線性關系, 不需要測量差壓, 也無須在流速有劇烈變化之處測量靜壓, 使得壓力的測量精度大為提高, 有利于提高測量精度. 最后, 工作范圍極寬, 溫度、壓力、流量等參數的范圍幾乎不受限制. 尺寸緊湊, 作為流量標準, 在同樣的流量測量范圍, 無論體積, 價格等都比同等精度的其它流量標準裝置小得多和低廉得多. 但是, 應用公式( 1) 計算流量時, 必須很精確地掌握臨界流噴嘴的流出系數C 和被測介質的臨界流函數..的值. 尤其是測量天然氣、水蒸氣等實際氣體時, 臨界流函數.. 必須正確計算, 這正是本文提出的目的.
