摘要：孔板流量計是一種廣泛使用的容積式流量計，本文簡要敘述了孔板流量計的工作原理,對孔板流量計的計量誤差及原因進行了分析并提出了相應(yīng)的措施，給工程技術(shù)人員提供一定的幫助。
0引言
孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單，操作較方便，使用技術(shù)成熟，使得其在管道計量中得到廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，目前孔板流量計是我國天然氣管道計量用得最多的計量設(shè)備，占整個貿(mào)易計量的50%左右。為了規(guī)范孔板流量計量，國家專門制定了GB2628和SY/T6143計量標(biāo)準(zhǔn)，對計量系統(tǒng)進行了說明和要求，同時，也出臺天然氣場站儀表配備指南，對計量系統(tǒng)儀器儀表精度等級進行了要求。但是由于孔板流量計計量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,決定了會產(chǎn)生兩種誤差，一種是基本誤差，這是流量計本身所存在的誤差，第二種是附加誤差，是由于流量計在使用時偏離了標(biāo)準(zhǔn)條件產(chǎn)生的。由于人為操作的環(huán)節(jié)多，且天然氣這一物質(zhì)的計量是一種連續(xù)的、不可重復(fù)的計量，若不加以適時監(jiān)控，所引起的計量附加誤差相當(dāng)大，尤其當(dāng)天然氣作為商品進行貿(mào)易結(jié)算時，為供需雙方帶來不利影響,本文分析了產(chǎn)生誤差的主要原因，并提出了相應(yīng)的整改措施。
1孔板流量計的結(jié)構(gòu)組成及其測量原理
1.1結(jié)構(gòu)組成
孔板流量測量系統(tǒng)一般由節(jié)流裝置(標(biāo)準(zhǔn)孔板)、壓力變送器、差壓變送器、鉑熱電阻及其流量積算儀組成。其中孔板節(jié)流裝置包括孔板、孔板夾持器和上下游直管段。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1為上游側(cè)第二阻流件;2為上游側(cè)第一阻流件;3為孔板和孔板夾持器;4為差壓訊號管路;5為下游側(cè)第一阻流件
1.2測量原理
天然氣經(jīng)過孔板后，在孔板前后產(chǎn)生差壓，實驗結(jié)果證明，天然氣的流量和差壓的平方根成正比，算出比例系數(shù)也就測出了流量。
(1)差壓式孔板流量計包括三部分:①現(xiàn)場取壓部分，包括高級孔板閥、前后直管段、導(dǎo)壓管;②溫度、壓力、組分補償部分，包括現(xiàn)場用溫度變送器、壓力變送器、天然氣組分分析儀計量的實時數(shù)據(jù);③流量計算部分，指專用流量計算機(或計算儀)所安裝的計量標(biāo)準(zhǔn)程序。(2)在實際應(yīng)用過程中，當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖2所示。
流線將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種計量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。以伯努利方程式和流體流動的連續(xù)性方程式為依據(jù)，天然氣流量計算公式為：
根據(jù)氣體易壓縮、密度差異大、受溫度影響特點，得出天然氣流量計量的實用公式是:
其中:Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體體積流量;Ah為常數(shù),標(biāo)況下為0.008686;α0為特定流量系數(shù);γre為計量管內(nèi)壁流量修正系數(shù);bk為孔板入口邊緣銳利度修正系數(shù);Fr為雷諾數(shù)修正系數(shù);ε為氣體膨脹系數(shù);d為孔板在20℃下實測的開孔口徑;Fa為孔板熱膨脹修正系數(shù);Fg為天然氣相對密度修正系數(shù);Fz為超壓縮系數(shù);Ft為流體流動溫度修正系數(shù);P1為孔板上游側(cè)絕對壓力;hw為氣體流過孔板時的差壓。
2誤差因素分析及技術(shù)要求
2.1基本誤差
(1)由計量裝置本身精確度所決定的誤差。由于孔板流量計測得的流量是根據(jù)差壓信號間接求得的。從公式可以看出，影響計量精確度的主要因素是α、F、ε等值。必須保持α、F、ε均為恒定值,才能達(dá)到差壓和流量之間有恒定的對應(yīng)關(guān)系。但在實際生產(chǎn)中，α、F、ε都與某些因素有關(guān)，特別是流量系數(shù)α，它是一個影響因素復(fù)雜，變化范圍大的重要系數(shù)，如果在計量過程中不能保證α為恒定值，則計量誤差將會較大。
從資料和實驗證明，流量系數(shù)α值與取壓點位置、孔板的開孔截面積和管道截面積比(m=d2/D2)、雷諾數(shù)、管壁粗糙度、孔板入口邊緣尖銳度有關(guān)。所以，標(biāo)準(zhǔn)孔板的選用應(yīng)符合下列技術(shù)要求:
孔板相對于開孔直徑d的軸線中心對稱;
孔板上游端面A應(yīng)于下游端面B平行，并且與開孔直徑d的軸線垂直;
孔板A面、B面應(yīng)無可見的損傷;
孔板開孔直徑d的上游測直角入口邊緣G應(yīng)銳利,無毛刺和劃痕。
孔板開孔直徑d的內(nèi)圓柱表面長度e應(yīng)符合:0.005D≤e≤0.02D;
孔板的厚度應(yīng)符合:e≤F≤0.005D;
孔板下游側(cè)出口邊緣H和孔板開孔圓柱形下游側(cè)出口邊緣I應(yīng)無毛刺、劃痕和可見損傷;
標(biāo)準(zhǔn)孔板在使用過程中,會由于天然氣的侵蝕而產(chǎn)生變形,從而引起流量系數(shù)增大而產(chǎn)生計量誤差。因此孔板的材質(zhì)也是保證孔板工作可靠和計量準(zhǔn)確的一個因素。用于天然氣計量的孔板采制一般為:Cr17、Cr18Ni9TiC以及其他耐酸鋼。
(2)變送器和流量顯示儀表的精確度對整套流量計系統(tǒng)的精確度也很重要。目前，變送器大多數(shù)采用的都是4～20mA信號，顯示儀表采用數(shù)字信號，只要變送器現(xiàn)場安裝和系統(tǒng)接地沒有問題，整個系統(tǒng)誤差不會受到影響。
(3)流量積算部分之間的誤差，當(dāng)溫度、壓力、差壓、組分等數(shù)據(jù)傳到流量積算器后，積算器結(jié)合已經(jīng)輸入的節(jié)流裝置基本信息計算流量，積算器所安裝的計量標(biāo)準(zhǔn)程序主要有SY/T6143標(biāo)準(zhǔn)、AGA3標(biāo)準(zhǔn)、ISO5167標(biāo)準(zhǔn)，在計量參數(shù)一致的情況下，通過幾個標(biāo)準(zhǔn)換算出的中間參數(shù)和最終的計量結(jié)果不超過萬分之一。
2.2附加誤差
如果孔板流量計的制造、選型都嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而在安裝和使用過程中，沒有嚴(yán)格遵守技術(shù)要求執(zhí)行，就會造成誤差，這種誤差的大小是無法估計的。但是通過對造成誤差因素的分析，可以將誤差降低。
孔板計量系統(tǒng)安裝使用時，必須符合下列技術(shù)要求:
(1)孔板安裝時，他的開孔中心和管道中心軸線同心，而且它的端面與管道軸線垂直。
(2)孔板上下游側(cè)取壓孔軸線符合距孔板上下游端面的距離為25.4±0.8mm的要求(目前國內(nèi)絕大部分取壓方式采用法蘭取壓)。
(3)取壓孔的軸線應(yīng)與孔板上下游側(cè)2D計量管長度的內(nèi)圓柱的軸線垂直，取壓孔的軸線與孔板兩端面向外傾斜角的夾角不大于3度。取壓孔直徑不應(yīng)大于0.08D。
(4)孔板安裝需要前后直管段，直管段的長度必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，必要時安裝整流器。
(5)導(dǎo)壓管應(yīng)采用耐腐蝕材料，其內(nèi)徑不小于6mm，長度最好在16mm以內(nèi)，導(dǎo)壓管應(yīng)垂直或傾斜敷設(shè)，起傾斜度不小于1:12。
(6)計量氣體溫度的溫度計最好安裝在孔板下游側(cè)直管段以外的地方，計算氣量時應(yīng)將此時所測的氣流溫度換算成孔板上游側(cè)的氣流溫度，如果溫度計安裝在孔板上游側(cè)，則溫度計套管與孔板之間的直管段長度L應(yīng)滿足下列規(guī)定:當(dāng)溫度計套管直徑不大于0.03D時(D為計量管內(nèi)徑)，L≥5D;當(dāng)溫度計套管直徑在0.03D至0.13D范圍內(nèi)時(D為計量管內(nèi)徑)，L≥20D。
2.3其他方面的差
（1）儀器本身產(chǎn)生的誤差
孔板入口直角銳利度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；管徑尺寸與計算不符；孔板厚度誤差；節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏心；孔板上游端面不平整度；環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心；取壓位置不符合標(biāo)準(zhǔn)；焊接、焊縫突出；取壓孔加工不規(guī)范或堵塞；節(jié)流件不同軸度。
（2）安裝誤差
管線布置的偏離及取壓管產(chǎn)生積液，溫度傳感器測溫元件距離裝置較遠(yuǎn)，其主要原因是裝置前后直管段長度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
（3）使用誤差
孔板彎曲、變形及上游端面沉積臟物；上游取壓管沉積臟物；孔板入口直角邊緣變鈍、破損。
3解決天然氣孔板計量問題的途徑
3.1依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),加強儀表的安裝、使用、維護等管理,消除人為誤差
孔板流量計易于偏離標(biāo)準(zhǔn)的原因，在于儀表本身的工作原理與結(jié)構(gòu)特點，儀器自身誤差是制造時產(chǎn)生的，安裝和使用誤差則是在安裝時或長期使用中由于流體介質(zhì)腐蝕和磨損等：天然氣計量中的存在問題及解決方法腐蝕、磨損、沾污等造成的。因此，應(yīng)嚴(yán)格按技術(shù)要求安裝流量計量系統(tǒng)，消除安裝誤差。在使用過程中，操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護、保養(yǎng)工作，延長其使用壽命，減小計量誤差。同時，在實際應(yīng)用中應(yīng)強化宣貫徹SY/T6143-2004標(biāo)準(zhǔn)力度，標(biāo)準(zhǔn)在附錄《節(jié)流裝置在使用中出現(xiàn)部分偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理》中規(guī)定，在實際應(yīng)用中采取在流出系數(shù)C中增加二個修正系數(shù)，即孔板入口尖銳度修正系數(shù)和管壁粗糙修正系數(shù)，或者采用可換孔板節(jié)流裝置。因此在天然氣計量的實際應(yīng)用中應(yīng)深入研究，正確掌握標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安裝、使用、處理數(shù)據(jù)，確保天然氣流量計量的準(zhǔn)確度滿足生產(chǎn)經(jīng)營要求。
3.2正確選用配套的儀表
(1)測量天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的制作應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，配套的壓力、差壓及Pt100鉑熱電阻的型號、準(zhǔn)確度和量程應(yīng)與現(xiàn)場工況條件相匹配，尤其是流量積算儀或計算機系統(tǒng)配套軟件及計量模型，應(yīng)等同采用SY/T6143-2004標(biāo)準(zhǔn)的計算公式，或近AGAReportNo.3最新版本。
(2)孔板流量計測量范圍(量程比)較窄，一般為3∶1或4∶1，但可以在孔徑比0:1≤β≤0:75范圍內(nèi)通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)孔板的內(nèi)徑來擴大量程。但要選擇較寬量程比的壓力和差壓變送器，智能積算系統(tǒng)能輸入組份實時計算C值。
(3)現(xiàn)場安裝條件要求高，往往無法滿足天然氣管網(wǎng)輸配氣計量寬量程的需要�？装邃J角邊的磨損、結(jié)垢等因素均會影響計量精度。需要經(jīng)常檢查、清洗孔板。用于貿(mào)易交接計量的測量天然氣流量和標(biāo)準(zhǔn)孔板、壓力和差壓變送器、溫度變送器和氣相色譜儀等配套器具,需按期檢定。
3.3引用國外先進技術(shù)，加快新型流量計的開發(fā)
天然氣是21世紀(jì)日益重要的一次性能源，在天然氣國際貿(mào)易中，能量計量幾乎已全面取代傳統(tǒng)的體積計量，而我國目前仍采用天然氣體積計量方式。為了盡快與國際接軌，引進、消化、吸收近幾年發(fā)展起來的天然氣計量新技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急，使用單位可以與各科研究院所聯(lián)合攻關(guān)，開展天然氣能量計量的試驗工作，并在此基礎(chǔ)上加快技術(shù)裝備、計量儀表和計算方法的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)步伐。為了加快試驗開發(fā)的進度，建議引進國外先進的在線氣相色譜系統(tǒng)和流量計算機，在消化引進技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展適合我國國情的天然氣能量計量系統(tǒng)。
4結(jié)論
影響孔板流量計的計量誤差因素很多，如天然氣的組分影響、管道粗糙的影響、上下游用戶計量方式不同等等。因此，不僅要解決上述的幾個問題，而且還要改進工藝流程，加強計量監(jiān)督檢查，提升計量人員的業(yè)務(wù)水平，熟悉計量法律法規(guī)及計量交接協(xié)議的規(guī)定。只有這樣，才能消除流量計的計量附加誤差，提高標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的計量準(zhǔn)確性。
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