CN102288263A - 在线校准管道中气体流量计的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线校准管道中气体流量计的装置。示踪气体释放装置安装在具有一个90°弯头的管道上游，在90°弯头的管道下游安装取样管，示踪气体分析仪与取样管连接。通过便携式计算机，对示踪气体、被校准气体流量计和示踪气体分析仪的数据进行处理，求出流量校准系数，进而对被校准气体流量计的流量值进行修正，实现该气体流量计的在线校准。本发明不需要一般流量仪表所要求的前后直管段长度，不受管道内气体流态的影响，结构简单，选用合适的示踪气体，能够对各种口径工业气体输送管道（如天然气、煤气）和通风管道（如空调、矿井、专用设备）中的气体流量计进行在线校准，能够适应含有灰尘等杂质的管道气体流量计的在线校准，应用范围广。

Description

在线校准管道中气体流量计的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及气体流量检测和校准领域，具体涉及一种在线校准管道中气体流量计的装置。

背景技术

[0002] 在工业管道气体(如煤气）的输送过程中，气体流量多以孔板、涡轮、涡街、文丘里管、威力巴等作为检测元件。由于受到生产成本的限制，工业管道输送的气体一般未能得到有效的净化处理，气体流量计在使用一段时间后，气体中的杂质很容易在管道内壁和管内其它构件表面上凝结并聚集起来。有统计表明，未过滤的焦炉煤气和工业尾气，其粉尘和焦油在仪表底部的年堆积量可达3-5mm厚，这样造成了流量计内部通道和相关部件很容易结垢、堵塞或变形，从而影响其测量的精确度，需要及时对流量计进行检定或校准。

[0003] 对流量计进行检定，目前使用最多的方法是离线检定与干式检定。离线检定是将被检流量计与流量标准装置串联在一起，使流量同时流过被检流量计及标准装置，用标准装置的计量值衡量被检流量计的精度等级。离线检定适合于对流量测量准确度要求不十分高的测量场合，由于离线检定必须拆表后送到法定计量机构进行检定，如果被检表规格较大，拆装、送检难度都较大，并且还要求使用单位必须停止供气或准备备用表，给生产组织带来极大困难。干式检定属于间接组合测量法，只需检测流量仪表与流体相接触并影响流量测量结果的几何构造和各部分尺寸，校准与流量计算有关诸参数的测量仪表和涉及测量结果的附属装置，并检查仪表的安装、操作是否按规定进行。干式检定的精度低，无法定性、 定量掌握被检流量计的误差，不能直接对流量仪表进行校准或赋值，也无法消除安装等附加误差。

[0004] 国内流量计生产厂家众多，对流量计算原理以及现场实际经验不足，研发水平高低不一，而且流体使用环境不同，流体的组分、物理性质、流态可能产生变化，造成流量计量误差有时高达10%以上。如果经常采用检定的方法来评定流量计的准确度，对生产和供气单位正常的生产经营影响较大，因此，生产和供气单位对流量计进行定期或不定期的校准， 是比较可行的修正流量计量误差的方法。

[0005] 示踪法作为一种非常规的流量测量方法，在矿井通风、室内通风和换气等场合的流量测量过程中被广泛使用。在示踪法准确测量气体流量的基础上，通过与管道中被校准气体流量计的数据进行比对，求出流量校准系数，进而对被校准气体流量计的流量值进行修正，即可实现对被校准气体流量计的在线校准。采用示踪法在线校准气体流量计，不受管道形状和气体在管道内流速分布的影响，不需要测量气体的组份和管道的截面积，无需将管道上的气体流量计拆卸下来，利用管道上原有的孔洞作为示踪气体的释放点和取样点， 就可方便地对其进行在线校准。因此，对于含有脏污介质的工业气体管道输送过程中的流量计，本发明提出采用示踪法对气体流量计进行校准的装置，是一种简单可行的在线实流校准气体流量计的装置。

[0006] 中国专利文献公开了一种示踪法标定气体流量计的装置（申请号：200920191922X)，即将微量示踪气体注射器安装在管道的上游，下游依次安装有静态混合装置、待标定流量计、四个取样枪（同一径向截面处)，取样枪提取的混合气体经浓度分析仪分析后，由数据采集处理装置对待标定流量计进行标定。上述装置虽然提出了示踪法校准气体流量计的思路，但是存在以下问题：管道内设置静态混合装置，对气体的流动产生阻力，如果在气体输送过程中安装静态混合装置，则难以进行安装；在管道同一径向截面的四个均等位置同时取样，现场管道难以提供或加工满足技术要求的取样孔位置；微量示踪气体注射器，难以提供恒定且准确的示踪气体释放量；没有指明示踪气体释放点与取样点之间的最短距离，难以保证示踪气体与被测气体在直管道内混合均勻(尽管在管道内有静态混合装置)，这对示踪法校准气体流量计的准确性有很大影响；浓度分析仪测出混合气体的浓度后，数据处理装置对待标定流量计进行标定的原理或方法没有说明。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种在线校准管道中气体流量计的装置，无需将管道上的气体流量计拆卸下来，就可方便地对其进行在线校准，从而提高气体流量计量的准确度，延长气体流量计的使用寿命。

[0008] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明包括示踪气体释放装置、释放管、被校准气体流量计、取样管、示踪气体分析仪、 便携式计算机；释放管竖直插入具有一个90°弯头管道上游的管道中心，通过第一密封件实现释放管与管道壁面的密封，取样管竖直插入90°弯头管道下游的管道中心，通过第二密封件实现取样管与管道壁面的密封，被校准气体流量计根据其技术规范要求安装于管道的上游或下游，示踪气体释放装置的一端与释放管，另一端与便携式计算机连接，取样管抽取的气体经示踪气体分析仪分析后的信号以及被校准气体流量计的信号分别接入便携式计算机。

[0009] 所述的示踪气体释放装置包括钢瓶、减压阀、缓冲罐和流量控制器；钢瓶中的高压示踪气体经减压阀、缓冲罐和流量控制器后与释放管连接，流量控制器的信号与便携式计算机连接。

[0010] 所述的释放管，其安装位置与90°弯头上游管道的最短释放距离为15D管道长度，其中D为管道直径。

[0011] 所述的取样管，其安装位置与90°弯头下游管道的最短取样距离为15D管道长度。

[0012] 所述的释放管和取样管结构相同，其内径均为ri2mm，一端端部密封；释放管和取样管管壁上开有测量孔；所述测量孔的位置有两种布置方式，即均勻分布法或等面积法。

[0013] 所述的均勻分布法，即根据管道直径的大小，释放管和取样管分别开有5、13或21 个均勻分布的直径为广2mm的测量孔。

[0014] 所述的等面积法，即根据管道直径的大小，将管道截面分成4、12或20个等单元面积，在每个等单元面积中设置测量孔，加上圆心位置，使得释放管和取样管上分别构成5、13 或21个直径为广2mm的测量孔。

[0015] 本发明具有的有益效果是：

(1)不需要一般流量仪表所要求的前后直管段长度，不受管道内气体流态的影响，管道弯头、阀门等装置反而有利于示踪气体与被测气体混合。

[0016] (2)无需额外安装混合器等设备，利用管道中原有的安装被校准气体流量计时的直管段，以及管道弯头的二次流作用，能够保证示踪气体与被测气体在管道内混合均勻，提高了校准系统的准确性。

[0017] (3)无需在管道上开孔作为示踪气体的释放孔和取样孔，可以利用管道上已有的孔洞，如热电偶、压力表等接入孔，不影响管道气体的正常输送。

[0018] (4)校准装置结构简单，选用合适的示踪气体，能够适应各种口径的工业气体输送管道(如天然气、煤气）和通风管道(如空调、矿井、专用设备）中气体流量计的校准，能够适应含有灰尘等杂质的管道气体流量计的在线校准，应用范围广。

附图说明

[0019] 图1是在线校准管道气体流量计装置的结构示意图。

[0020] 图2是示踪气体释放装置的结构示意图。

[0021] 图3是5孔均勻分布的释放管结构示意图。

[0022] 图4是13孔均勻分布的释放管结构示意图。

[0023] 图5是5孔等面积分布的释放管结构示意图。

[0024] 图6是13孔等面积分布的释放管结构示意图。

[0025] 图7是90°弯头形成的二次流作用示意图。

[0026] 图中：1.示踪气体释放装置；2.释放管；3.管道上游；4. 90°弯头；5.管道下游； 6.被校准气体流量计；7.取样管；8.示踪气体分析仪；9.便携式计算机；10.钢瓶；11.减压阀；12.缓冲罐；13.流量控制器；14.密封件；15.测量孔；16.管道壁面。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0028] 如图1所示，一种在线校准管道中气体流量计的装置，包括示踪气体释放装置1、 释放管2、被校准气体流量计6、取样管7、示踪气体分析仪8、便携式计算机9 ；释放管2竖直插入具有一个90°弯头管道上游3的管道中心，通过第一密封件14实现释放管2与管道壁面16的密封，取样管7竖直插入90°弯头管道下游5的管道中心，通过第二密封件14实现取样管7与管道壁面16的密封，被校准气体流量计6根据其技术规范要求安装于管道的上游或下游，示踪气体释放装置1的一端与释放管2连接，另一端与便携式计算机9连接， 取样管7抽取的气体经示踪气体分析仪8分析后的信号以及被校准气体流量计6的信号分别接入便携式计算机9。

[0029] 如图1所示，示踪气体分析仪8通过取样管7抽取管道下游中的混合气体，测得示踪气体的浓度值。便携式计算9对示踪气体释放装置1恒定注入的示踪气体、被校准气体流量计6和示踪气体分析仪8等相关参数进行实时采集和处理，求出流量校准系数，进而对被校准气体流量计6的流量值进行修正，实现该气体流量计的在线校准。

[0030] 如图1所示，所述的示踪气体分析仪8，用于准确测量示踪气体的浓度（ppm或mg/ m3)，能够现场在线检测，其分辨率< lppm，精度< 士 1%。

[0031] 如图1所示，为保证示踪气体与被测气体在取样管7处能够混合均勻，释放管2与90°弯头4之间上游管道的释放距离至少为15D (D为管道直径）管道长度，即最短释放距离为15D ；取样管7与90°弯头4之间下游管道的取样距离至少为15D，即最短取样距离为 15D管道长度。在最短释放距离和最短取样距离的15D管道长度内，不必要求是直管段，弯管或者安装有阀门等元件也可。

[0032] 如图1所示，释放管2和取样管7在管道中安装时，不必在管道上现场开孔，只要满足最短释放距离和最短取样距离的条件，利用管道上现有的一些孔洞，如热电偶、压力表等接入孔，将示踪气体释放进入管道或者对气体进行取样。

[0033] 如图2所示，所述的示踪气体释放装置1包括钢瓶10、减压阀11、缓冲罐12和流量控制器13 ；钢瓶10中高压的示踪气体经减压阀11、缓冲罐12和流量控制器13后与释放管2连接，流量控制器13的信号与便携式计算机9连接。

[0034] 如图2所示，钢瓶10中的示踪气体，是指纯度为99. 95%以上的气体，通常选用的示踪气体是六氟化硫（SF6),也可选用其他气体；这些示踪气体性能稳定，与被测管道输送气体组份不发生各种物理和化学反应。

[0035] 如图2所示，所述的流量控制器13，能够保持示踪气体恒定释放，精确控制进入释放管2中的示踪气体流量(质量流量和体积流量)，流量控制精度< 士 1%。根据被测管道内气体流量的大小，流量控制器13对示踪气体的释放量进行调整，但不会对管道气体的组成产生影响。同时，便携式计算机9能够实时采集和处理流过流量控制器13的示踪气体的流量、压力和温度等相关参数。

[0036] 如图1和图2所示，所述的释放管2，其内径为圹12mm，一端端部密封；释放管2上开有测量孔15，测量孔15的位置有两种布置方式，即均勻分布法或等面积法。

[0037] 如图3和图4所示（图3 (b)是图3 (a)的A_A剖视图，图4 (b)是图4 (a)的 B-B剖视图)，所述的均勻分布法，即根据管道直径的大小，释放管2上分别开有5、13或21 个均勻分布的直径为广2mm的测量孔。

[0038] 如图5和图6所示（图5 (b)是图5 (a)的C-C剖视图，图6 (b)是图6 (a)的 D-D剖视图)，所述的等面积法，即根据管道直径的大小，将管道截面分成4、12或20个等单元面积，即分别有2个半圆和2个半环、2个半圆和10个半环或2个半圆和18个半环，在每个等单元面积中设置测量孔，加上圆心位置，使得释放管2上分别构成5、13或21个直径为广2mm的测量孔。

[0039] 采用均勻分布法和等面积法对释放管2中测量孔的位置进行布置时，各个测量孔的位置如表1所示。

[0040] 表1释放管2中测量孔的位置（R为管道半径）

对于取样管7，其结构和测量孔的布置方式与释放管2相同，只不过对于释放管2而言，示踪气体是从测量孔中流出，而取样管7则是气体从测量孔中被吸入。

[0041] 需要指出的是，15D管道长度的最短释放距离和最短取样距离，是为保证示踪气体与被测气体在取样管7处能够混合均勻。在工业气体的管道输送过程中，气体的流动一般都处于湍流状态。在湍流状态下，示踪气体与被测气体在一定长度(最短15D管道长度）的管道上游3中形成较为充分的扩散和混合，在混合气体经过90°弯管时，在管道的径向截面形成了二次流(如图7所示)，促进了示踪气体与被测气体的混合，再经过一定长度(最短 15D管道长度）的管道下游5时，示踪气体与被测气体进一步扩散与混合，使得示踪气体与被测气体在取样管7处能够实现混合均勻，提高了校准系统的准确性。

[0042] 本发明提出的在线校准气体流量计的方法，是通过便携式计算机9采集相关数据后进行计算和处理后实现的。其校准步骤如下：

(1)便携式计算机9实时采集被校准流量计6的流量值Q、；

(2)便携式计算机9实时采集示踪气体的流量和取样管7处管道下游的示踪气体浓度， 不定时采集释放管2上游管道的示踪气体浓度（即管道内示踪气体的本底浓度)，通过公式 (1)计算出管道内被测气体的流量々：

式中必为示踪法计算得到的管道内气体流量值，m3/s w为示踪气体释放装置1的恒定释放量，m3/s，其体积浓度为c，ppm，纯气体时为1 ；C1为取样管7处示踪气体的体积浓度， ppm 为管道内示踪气体的本底浓度，ppm ；其中所有气体的流量及浓度均为同一气体状态 (温度、压力、湿度）下的值。

[0043] (3)计算出管道内被测气体的流量C后，将C与被校准流量计6的流量值Q、进行对比，求出校准系数（，如公式（2 )所示：

Mf=QiQv ⑵

(4)对被校准气体流量计6进行在线校准，则校准后其实际流量V v如公式（3)所示： Qv =MfQv (3)

采用本发明所述的装置在线校准气体流量计时，不受管道形状和气体在管道内流速分布的影响，无需将管道上的气体流量计拆卸下来，利用管道上原有的孔洞作为示踪气体的释放点和取样点，就可方便地对其进行在线校准。因此，对于含有脏污介质的大口径管道工业气体输送过程中的流量计，采用本装置进行在线校准，是一种简单有效的校准方法和装置。

[0044] 本发明图1的实施例中，释放管2和取样管7之间只有一个90°弯头，当释放管2 和取样管7之间有两个或者多于两个90°弯头，或者有三个以上其他角度O 30° )弯头， 且放管2和取样管7之间的距离在30D管道长度以内时，则只需在第一个弯头管道上游3 设置释放管2，在最后一个弯头管道下游设置取样管7即可。这些实施方式，也属于本发明的保护范围。

[0045] 本发明图1、图3、图4、图5和图6的实施例中，气体流通管道为圆形，对于方形管道，本发明所述的装置同样适用。[0046] 虽然结合附图对本发明进行了说明，本领域的普通技术人员不经创造性劳动就可做出的各种变形和修改，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1. 一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：包括示踪气体释放装置（1)、 释放管（2)、被校准气体流量计（6)、取样管（7)、示踪气体分析仪（8)、便携式计算机（9);释放管（2)竖直插入具有一个90°弯头管道上游（3)的管道中心，通过第一密封件实现释放管（2)与管道壁面的密封，取样管（7)竖直插入90°弯头管道下游（5)的管道中心，通过第二密封件实现取样管（7)与管道壁面的密封，被校准气体流量计（6)根据其技术规范要求安装于管道的上游或下游，示踪气体释放装置（1)的一端与释放管（2)连接，另一端与便携式计算机（9)连接，取样管（7)抽取的气体经示踪气体分析仪（8)分析后的信号以及被校准气体流量计（6)的信号分别接入便携式计算机（9)。

2.根据权利要求1所述的一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：所述的示踪气体释放装置（1)包括钢瓶（10)、减压阀（11)、缓冲罐（12)和流量控制器（13);钢瓶 (10)中的高压示踪气体经减压阀（11)、缓冲罐（12)和流量控制器（13)后与释放管（2)连接，流量控制器（13)的信号与便携式计算机（9)连接。

3.根据权利要求1所述的一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：所述的释放管（2)，其安装位置与90°弯头上游管道的最短释放距离为15D管道长度，其中D为管道直径。

4.根据权利要求1所述的一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：所述的取样管（7)，其安装位置与90°弯头下游管道的最短取样距离为15D管道长度。

5.根据权利要求1所述的一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：所述的释放管（2 )和取样管（7 )结构相同，其内径均为ri2mm，一端端部密封；释放管（2 )和取样管（7)管壁上开有测量孔；所述测量孔的位置有两种布置方式，即均勻分布法或等面积法。

6.根据权利要求5所述的一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：所述的均勻分布法，即根据管道直径的大小，释放管（2)和取样管（7)分别开有5、13或21个均勻分布的直径为广2mm的测量孔。

7.根据权利要求5所述的一种在线校准管道中气体流量计的装置，其特征在于：所述的等面积法，即根据管道直径的大小，将管道截面分成4、12或20个等单元面积，在每个等单元面积中设置测量孔，加上圆心位置，使得释放管（2)和取样管（7)上分别构成5、13或 21个直径为广2mm的测量孔。