示踪气体混合均匀性的试验研究

　　在大口径管道工业气体(如煤气)的输送过程中,气体流量多以孔板作为检测元件.孔板流量计在运行一段时间后,孔板的上游表面端面、内孔和上游侧测量管会形成结垢,造成孔板的几何尺寸变化和粗糙度增加,偏离了标准孔板正常的计量条件,容易引起贸易双方的争议[1],因此,需要及时对孔板等流量计进行校准.本文提出示踪法校准气体流量计,即将示踪气体在工业气体输送管道中恒流释放,当示踪气体与管道内被测气体混合均匀后,用精密的气体分析仪测量出示踪气体的体积分数,计算出被测气体的流量Q,如公式(1)所示[2-6];再将流量Q与管道中实际使用流量计的流量进行比对,求出流量校准系数,进而对流量计的流量进行修正,实现气体流量计的校准.

　　式中:Q—管道内示踪法测量的气体流量,m3/s;q—示踪气体(纯气体)的恒定释放速率,m3/s;C—测点处示踪气体的体积分数,(×10-6);C0—管道内示踪气体的本底体积分数,(×10-6);其中所有气体流量及体积分数均为同一气体状态(温度、压力、湿度)下的值.

　　示踪法校准气体流量计时,气体流量的准确测量是关键,许多文献对气体流量测量进行了理论和实验研究[7-9].由公式(1)知,示踪气体与管道内被测气体是否混合均匀,是准确测量气体流量的基础,也是示踪法校准气体流量计的前提条件.

　　示踪气体在管道内实现混合均匀的途径,一是在管道中增加适当的装置促进混合,另一种是利用适当长度的管道,使其在流动扩散过程中达到混合均匀的目的,目前采用后者的文献报道较多.朱能等人[10]指出用示踪气体恒量释放法进行风道内风量测量时,对于直管道,要求有25倍管道直径的长度,对于有一个弯管的管道,一般有10倍管道直径的长度即可.文献[11]报道了一个示踪法试验,示踪气体为氩气,被测气体为空气,管道直径为0.050~0.075 m.该试验考察了由一个90°弯管使其混合的情况,其结果与流量的大小无关,距离弯管约0.080 m以后混合已经进行得非常好,即需要11~16倍管道直径的长度.王海桥指出[3],采用示踪气体进行巷道通风测量时,对于直巷道,示踪气体释放点到采样点要求有20倍的巷道高度,对于有一个弯道的巷道,一般有8~10倍的巷道高度即可.陈开岩等人[12]对示踪气体在巷道中弥散的最短均匀混合距离进行了建模和求解,计算结果表明,在矩形平巷中的最短均匀混合距离为28倍巷道水力直径.

　　以上文献表明,示踪气体在弯曲管道比平直管道中容易实现混合均匀,但是弯曲管道的下游究竟需要多少倍管道直径的长度,相关文献也只是给出了大致的倍数,并没有具体的试验数据进行验证.基于此,本文搭建了带有90°弯头的示踪法校准气体流量计试验台,以空气作为被测气体,以CO作为示踪气体,探讨了示踪气体与被测气体实现混合均匀的条件,为工业气体(如煤气)的管道输送过程中采用示踪法校准气体流量计提供参考。