摘要:闡述了孔板流量計(jì)的構(gòu)成及其特點(diǎn)。詳盡分析了孔板流量計(jì)在計(jì)量中存在的問(wèn)題，闡明了產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因。提出了解決天然氣能源計(jì)量的方案和措施。
流體流量的檢測(cè)與控制是各行各業(yè)加強(qiáng)物料管理、能源管理，進(jìn)行物資交接、財(cái)務(wù)結(jié)算、經(jīng)濟(jì)核算、效益分析與評(píng)價(jià)及至決策的重要依據(jù);也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，使其保護(hù)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運(yùn)行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講:計(jì)量就是眼睛，計(jì)量就是金錢(qián)，計(jì)量就是效益�，F(xiàn)代企業(yè)對(duì)流量計(jì)量的要求越來(lái)越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性和自動(dòng)化水平的程度。國(guó)際上用于天然氣流量測(cè)量的儀器儀表，使用經(jīng)驗(yàn)最豐富，標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的是同心直角銳孔板流量計(jì)，常稱標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，簡(jiǎn)稱孔板流量計(jì)�？装辶髁坑�(jì)是一種典型的節(jié)流差壓式流量計(jì)。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前在我國(guó)天然氣貿(mào)易交接計(jì)量中，孔板流量計(jì)占90%以上�？装辶髁坑�(jì)所以得到如此的廣泛的應(yīng)用，主要是因?yàn)樗哂幸韵聝蓚�(gè)非常突出的特點(diǎn):①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、工作可靠、成本低，又具有一定精度。能滿足工程測(cè)量、貿(mào)易結(jié)算的需要;②有很長(zhǎng)的使用歷史,有豐富的、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)加工已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。只要按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)加工的孔板流量計(jì),不需要進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，也能在已知的不確定度范圍內(nèi)進(jìn)行流量測(cè)量。
然而孔板流量計(jì)在實(shí)際計(jì)量運(yùn)行中存在著諸多影響計(jì)量誤差的因素。
1.差壓式流量計(jì)的測(cè)量原理
差壓式流量計(jì)的測(cè)量以能量守恒定律和流體流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，即在充滿流體的管道中固定放置一個(gè)流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，則管內(nèi)流束在通過(guò)該節(jié)流件時(shí)就會(huì)造成局部收縮(圖1)。在收縮處，流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后將產(chǎn)生一定的壓力差，而且隨流體流速增加，靜壓力差就越大，而對(duì)于一-定形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測(cè)壓位置和前后直管段,在一定的流體參數(shù)情況下，節(jié)流件前后的差壓△P與流量Qv之間有-定的函數(shù)關(guān)系，故可通過(guò)測(cè)量節(jié)流件前后的差壓來(lái)測(cè)量流體流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)的流量大小。即:
Qv=K×(△PxP)1/2
1.1孔板流量計(jì)的組成
孔板流量計(jì)由能將流體流量轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)的節(jié)流裝置及測(cè)量溫度、壓力、差壓變送器和進(jìn)行積算的流量計(jì)組成(圖2)。安裝在流通管道中的節(jié)流裝置也稱“-次裝置”，它包括孔板、取壓裝置和前后直管段。溫度傳感器、壓力變送器、差壓變送器和流量計(jì)稱為“二次儀表”。
“一次儀表”即節(jié)流裝置將流體的差壓信號(hào)實(shí)時(shí)地反映給差壓變送器，差壓變送器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流電流4-20mA信號(hào);而壓力變送器將流體通過(guò)節(jié)流裝置的壓力信號(hào)也轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流電流4-20mA信號(hào);同時(shí)，溫度傳感器將通過(guò)節(jié)流裝置的流體的溫度轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)。流量積算儀將前三者信號(hào)經(jīng)過(guò)乘、除、開(kāi)方等流量運(yùn)算，最后進(jìn)行累積顯示出來(lái)。
安全柵的作用:是自動(dòng)化儀表過(guò)程檢測(cè)、控制中的-一個(gè)單元，它通過(guò)直流-直流轉(zhuǎn)換電路為現(xiàn)場(chǎng)安裝的變送器提供-個(gè)隔離化電源，同時(shí)又將變送器4--20mA直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之隔離的直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變送器與電源之間以及變送器與受信儀表之間的雙向隔離。從而使電氣火花竄人不到現(xiàn)場(chǎng)，達(dá)到安全隔離的作用。
1.2標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成
標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置也稱“一次裝置”(圖3),它包括孔板(圖4)、取壓裝置、前后直管段，導(dǎo)壓管。
2差壓式流量計(jì)的誤差來(lái)源
孔板流量計(jì)測(cè)量的精度除了取決于孔板節(jié)流裝置按標(biāo)準(zhǔn)加工制造和檢驗(yàn)裝配外，還取決于合理的設(shè)計(jì)、儀器儀表選型和安裝、運(yùn)行情況。如流量的波動(dòng)性范圍、頻繁程度等。由于流量計(jì)實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)條件有許多變化，帶來(lái)的誤差也是很大的。對(duì)孔板流量計(jì)的流量測(cè)量進(jìn)行誤差分析和估算，成為工業(yè)計(jì)量和能源結(jié)算的一個(gè)重要問(wèn)題。造成孔板流量計(jì)計(jì)量誤差的原因可分為以下幾個(gè)方面:①孔板本身的設(shè)計(jì)計(jì)算誤差(原理上);②孔板的制造誤差;③安裝誤差;④工藝狀態(tài)變化造成的誤差;⑤二次儀表的性能及系統(tǒng)運(yùn)行引起的誤差;⑥其它因素引起的誤差。
2.1建立流公式數(shù)學(xué)模型帶來(lái)的誤差
嚴(yán)格來(lái)講,孔板的設(shè)計(jì)誤差是指理論上孔板的設(shè)計(jì)誤差，因?yàn)榱髁坑?jì)算公式是根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)出來(lái)的，在節(jié)流裝置的加工計(jì)算過(guò)程中，工作壓力、工作溫度、管道內(nèi)徑、大氣壓力、絕對(duì)壓力、絕對(duì)溫度、流體密度、流體粘度、等熵指數(shù)、壓縮系數(shù)、最大差壓等都不是精確值，從公式來(lái)講就存在一定的誤差。
2.2孔板的加工工藝誤差
孔板的加工誤差包含孔板加工的公差，一般為0.2%。但實(shí)際上很多孔板制造廠家由于加工工藝原因，所加工孔板的表面光潔度、人口邊緣，僅目測(cè)就明顯達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;對(duì)于加工尺寸，一般不進(jìn)行測(cè)量，這樣加工出來(lái)的孔板精度自然就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。如圖4,影響孔板誤差的設(shè)計(jì)參數(shù)為:①孔板入口直角銳利度;②管徑尺寸與計(jì)算不符;③孔板厚度誤差;④節(jié)流件附件產(chǎn)生臺(tái)階、偏心;⑤孔板上游端面平度;⑥環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺(tái)階、偏心;⑦取壓位置;⑧焊接、焊縫突出;⑨取壓孔加工不規(guī)范或堵塞; 節(jié)流件不同軸度等;這些誤差均來(lái)自于孔板制造廠家。
2.3孔板流量計(jì)的安裝誤差
2.3.1直管段造成的誤差
由于孔板安裝要求嚴(yán)格，上下游需要足夠長(zhǎng)度的直管段。一般的工藝條件較難滿足。通常所用的前10D后5D的直管段安裝方式，在平面只有一個(gè)支管或-一個(gè)90°彎頭的情況下才滿足，在有空間彎頭、漸擴(kuò)管、漸縮管、溫度計(jì)管、球閥的情況下，需根據(jù)要求保證上游、下游最小直管段才能減少安裝誤差。否則附加相對(duì)誤差達(dá)5%~10%，甚至更高。通常上下游直管段最低要求由廠家提供。
2.3.2孔板在管道上安裝時(shí)的誤差
孔板安裝時(shí)，當(dāng)孔板與管道偏心率為0.015D時(shí)，誤差為-1%~+1%;法蘭與環(huán)室或孔板之間的墊片內(nèi)孔不得太小，否則嚴(yán)重影響上下環(huán)室的密封性，差壓值完全失真，造成的誤差可達(dá)-60%~十60%。對(duì)于安裝時(shí)在靠近節(jié)流件前面管道的突人管道的環(huán)狀焊縫，有如一個(gè)節(jié)流圓環(huán)，它對(duì)測(cè)量誤差的影響與突人高度、形狀、粗糙度等有關(guān)，沒(méi)有實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是難以確定的。.
2.3.3取壓口及導(dǎo)壓管造成的誤差
取壓口的焊接有毛刺或有堵塞現(xiàn)象會(huì)引起誤差。特別在流速較高處，將引起更大的誤差。取壓口的幾何形狀決定了對(duì)壓力測(cè)量的影響，其誤差為動(dòng)壓的百分?jǐn)?shù)。另外，對(duì)于流體為液體時(shí)，取壓管應(yīng)自節(jié)流裝置截面的水平中心兩端水平引出或自水平中心線兩端向下小于45引出;當(dāng)流體為氣體時(shí)，導(dǎo)壓管應(yīng)從節(jié)流裝置截面的上半部引出。否則由于導(dǎo)壓管積水、堵塞,而導(dǎo)致附加誤差的加大。再者，引壓管安裝不能過(guò)長(zhǎng)(--般不超過(guò)50米)，否則，差壓信號(hào)不能及時(shí)迅速地傳遞給變送器，而造成延遲響應(yīng)誤差。
2.4工藝狀態(tài)變化引起的參數(shù)誤差
由流體測(cè)量理論可知，流體與節(jié)流裝置檢測(cè)的差壓信號(hào)的關(guān)系為:
Qv=0.01252ead2(Op/p1)1/2
由公式可知，影響流量測(cè)量精度的參數(shù)為:流量系數(shù)a,流束膨脹系數(shù)e,節(jié)流件內(nèi)徑d,流體密度ρ1。
影響這些參數(shù)變化的工藝狀態(tài)主要包括:由于管道污垢引起的管徑變化;孔板端面變化;流體工藝條件變化即壓力、溫度引起的流體密度的變化、膨脹系數(shù)的變化、流出系數(shù)的變化。
2.4.1管道變化對(duì)工藝參數(shù)的影響
管道變化包括管徑變化和孔板端面變化及底部的污垢堆積。一般的孔板流量參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)情況下的設(shè)計(jì)參數(shù)，也是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)管。實(shí)際上，由于工業(yè)介質(zhì)的影響，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，管道內(nèi)壁就會(huì)有一-層結(jié)垢，一般清洗孔板也僅僅是清洗孔板本身，生產(chǎn)條件不考慮工藝管道的清洗，管徑誤差不能不予以考慮。污垢厚度視情況而異，一般有3~8mm厚。此時(shí)計(jì)量誤差可達(dá)2%~5%。并且誤差隨污垢的厚度增加而加大。
2.4.2工藝參數(shù)變化帶來(lái)的誤差
工藝參數(shù)的主要變化為:①孔板彎曲(變形);②上游測(cè)量管沉積臟物;③上游端面沉積臟物;④孔板入口直角邊緣變鈍、破損;⑤雷諾數(shù)范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定;⑥管道粗糙度影響;⑦流量系數(shù)的變化。
2.4.2.1雷諾數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響
雷諾數(shù)是表征流體慣性力與粘性力之比的無(wú)量綱參數(shù)。流量系數(shù)的變化是影響測(cè)量精度最重要最直接的原因。影響流量系數(shù)的因素很多。設(shè)計(jì)上給出的流量系數(shù)是指在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)條件下，開(kāi)孔比和雷諾數(shù)為固定值時(shí)計(jì)算出的理論值。在流體狀態(tài)、流量，管道、開(kāi)孔直徑等基本保持不變的情況下，流量系數(shù)一般不影響測(cè)量。但工藝上由于設(shè)計(jì)原因,流體運(yùn)行有時(shí)低于設(shè)計(jì)的最小雷諾數(shù)，此時(shí)流量系數(shù)的誤差變化很大，此時(shí)應(yīng)從工藝上，對(duì)照設(shè)計(jì)條件分析，應(yīng)采取更換孔板或縮小管徑的措施。否則必然加大計(jì)量誤差。
2.4.2.2管道對(duì)流量系數(shù)的影響
管道變化除了，上面所說(shuō)的直接影響流量外，對(duì)流量系數(shù)的影響主要表現(xiàn)為β值的變化。由于管道污垢堆積，造成管徑比理論值縮小，β值增大,此時(shí)通過(guò)流量系數(shù)對(duì)流量的影響為正誤差，反映為隨β值增大，誤差增大;孔板上游管壁粗糙度增加時(shí)，速度分布將變陡，流量系數(shù)亦將增加，誤差增大。實(shí)驗(yàn)證明，在節(jié)流件上游側(cè)附近-段管道清除污物可以顯著提高流量系數(shù)的測(cè)量精度。尤其對(duì)于大口徑管道，清洗管段可以顯著縮小誤差。
2.4.2.3孔板對(duì)流量系數(shù)的影響
孔板由不銹鋼材料1CrIl8Ni9Ti加工而成。開(kāi)孔直徑除了受溫度影響外，一般不變。但長(zhǎng)期使用后,孔板表面的粗糙度將增大，引起的誤差約為2%~3%;因制造質(zhì)量差，安裝時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力或大差壓造成孔板撓曲，測(cè)量誤差隨撓曲尺寸的增大而增大。
2.4.2.4流體溫度、壓力變化對(duì)流量的影響
根據(jù)公式:
式中:ρ1為工況密度;ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀況密度;Z為壓縮系數(shù);P1為工況壓力;P0為標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力;T1為工況下的絕對(duì)溫度;T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)溫度。
流體當(dāng)溫度或壓力發(fā)生變化時(shí)，必然引起密度的變化，特別是流體為氣體時(shí)，更是如此。從而導(dǎo)致流量的變化。由以上公式，也充分說(shuō)明了若不對(duì)壓力、溫度進(jìn)行時(shí)時(shí)補(bǔ)償，就一定帶來(lái)很大的計(jì)量誤差。
2.5二次儀表的性能及環(huán)境影響造成的誤差
二次儀表包括壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器、流量積算儀。它們的性能好壞、精度的高低就直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，加上系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，受溫度、濕度、粉塵、噪聲、電網(wǎng)等環(huán)境的影響，其各部分儀表的穩(wěn)定性、精度也即日趨下降，甚至損壞，也就必然導(dǎo)致計(jì)量誤差的加大。
2.6其它因素引起的誤差
操作人員的檢定、維護(hù)過(guò)程中由于不按技術(shù)參數(shù)操作或誤操作而引起的誤差，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的誤差,人為的停電、開(kāi)關(guān)閥門(mén)等引起的誤差。
3公司目前天然氣計(jì)量的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題
目前用孔板流量計(jì)進(jìn)行天然氣的計(jì)量，就現(xiàn)狀分析，存在著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:
①計(jì)量裝置即節(jié)流裝置安裝沒(méi)有完全按照要求進(jìn)行;上下游直管段不符合設(shè)計(jì)要求、節(jié)流裝置前后管道不在一條軸線上、前后法蘭與節(jié)流裝置連接時(shí)所加的密封墊圈存在凹凸現(xiàn)象、引壓管安裝過(guò)長(zhǎng)或不規(guī)范、引壓管或節(jié)流裝置存在漏氣。
②有的點(diǎn)位均未增設(shè)溫度補(bǔ)償。從本地區(qū)來(lái)說(shuō)，最冷與最熱之溫差還是相當(dāng)大的，接近30℃，也肯定對(duì)計(jì)量產(chǎn)生很大影響。一般來(lái)講，溫度每變:化10C，流量計(jì)量誤差就有2%。
③二次計(jì)量?jī)x表還屬傳統(tǒng)式組合儀表，分立元件多、單元組合多、系統(tǒng)整體性能滯后、計(jì)量精度低、穩(wěn)定度低(損壞率很高)。
④-二次儀表維護(hù)難度大。由于采用環(huán)室取壓，法蘭連接，對(duì)節(jié)流件的定期清洗測(cè)試，再次安裝時(shí)就難以保證要求;管道的清洗工作根本不能進(jìn)行。二次儀表必須定期對(duì)其校驗(yàn)，以確保其整體計(jì)量精度，對(duì)其校驗(yàn)也是一項(xiàng)非常煩瑣的工作，必須具備相當(dāng)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與動(dòng)手能力。另外，還要不定期地對(duì)節(jié)流裝置前后、引壓管、閥門(mén)等部位進(jìn)行檢漏，以確保壓力信號(hào)的真實(shí)性。
⑤計(jì)量系統(tǒng)由于不具備查閱、通訊等智能功能。計(jì)量數(shù)據(jù)均由人工現(xiàn)場(chǎng)采集、傳送，然后進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表等一系列的工作。所以不能時(shí)時(shí)反應(yīng)能耗情況，從而缺乏計(jì)量的真實(shí)性、實(shí)效性。
⑥能源計(jì)量管理工作落后。目前計(jì)量?jī)x表種類繁多，選型不統(tǒng)一、安裝不規(guī)范(指選型單位、施工單位、安裝地點(diǎn)、安裝方式方法等)，特別是用戶提供的工藝參數(shù)不準(zhǔn)確即工藝設(shè)備能耗及其定量的最大流量、最小流量、常用流量、工作壓力、工作溫度、介質(zhì)組分、管徑等;計(jì)量系統(tǒng)資產(chǎn)劃分不明，資金投入少，造成日常維護(hù)、鑒定、修理延遲，而致使部分計(jì)量?jī)x表運(yùn)行難以保障，導(dǎo)致計(jì)量誤差加大。
⑦人們的能源計(jì)量意識(shí)還有待提高。對(duì)計(jì)量就是眼睛，計(jì)量就是金錢(qián)，計(jì)量就是效益,缺乏足夠認(rèn)識(shí)。
4解決差壓式流量計(jì)誤差的途徑
①?gòu)脑O(shè)計(jì)上把好關(guān)。務(wù)必做到根據(jù)用戶用能大小、工藝條件參數(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型、確立安裝地點(diǎn)。
②一次節(jié)流裝置即孔板盡量采用孔板閥安裝，以消除同心度、密封性等裝配的影響。從而有利于滿足裝配要求，更給維護(hù)工作帶來(lái)極大的方便。見(jiàn)附圖
③由于節(jié)流裝置對(duì)前后管道安裝要求非常嚴(yán)格，因此上下游所需的直管段必須與閥體配套，并滿足理論要求。確保節(jié)流裝置與前后管道安裝在一條軸線上，保證孔板與管道同軸、同心。
④差壓、壓力變送器的安裝位置高于節(jié)流裝置;盡量縮短引壓管長(zhǎng)度;在最低處增設(shè)排污閥。確保差壓、壓力信號(hào)的及時(shí)性、真實(shí)性。
⑤增加溫度補(bǔ)償裝置，減少因溫差變化使流體工藝參數(shù)變化所引起的誤差。
⑥掌握用戶工藝設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)或更換相應(yīng)孔板，以滿足工藝參數(shù)變化帶來(lái)的計(jì)量誤差。
⑦為信息化發(fā)展所需，采用集成度高，智能化，可靠性、穩(wěn)定性高的二次儀表。減少由于人工現(xiàn)場(chǎng)采集、傳送，統(tǒng)計(jì),數(shù)據(jù)處理，報(bào)表等出現(xiàn)的諸多問(wèn)題。降低維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。
⑧加強(qiáng)能源計(jì)量人員的工作責(zé)任心，做好系統(tǒng)的檢修、維護(hù)、檢定保養(yǎng)工作，延長(zhǎng)其使用壽命，減小計(jì)量誤差。
⑨實(shí)行規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化、高規(guī)格化的能源計(jì)量管理。不斷引進(jìn)、消化、吸收天然氣計(jì)量新技術(shù)，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，盡快建立一支理論技術(shù)水平高，安裝、維護(hù)能力強(qiáng)的能源計(jì)量隊(duì)伍。
5結(jié)束語(yǔ)
流量計(jì)量既是天然氣供需雙方貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，又是生產(chǎn)部門(mén)用氣效率的技術(shù)指標(biāo)。在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理中流量計(jì)量是一項(xiàng)日常性的重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作。天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量不但能公平的進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，而且能改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，確保安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益�？装辶髁坑�(jì)由于它的方便和實(shí)用，在流量測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于它在計(jì)量中產(chǎn)生的誤差，還應(yīng)根據(jù)各種情況，具體分析，減少計(jì)量誤差，使之更好地為生產(chǎn)服務(wù)。
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