摘要:標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)因其復(fù)雜的測(cè)量原理和對(duì)流體性能的嚴(yán)格要求及苛刻的安裝條件,使得測(cè)量結(jié)果的精度受到較多的因素影響。簡(jiǎn)要介紹了影響標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量的相關(guān)因素,并提出針對(duì)這些因素的應(yīng)對(duì)措施。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是根據(jù)能量守恒和流動(dòng)連續(xù)性方程,在流體通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)流速增加靜壓降低，流體流速越大，在孔板前后產(chǎn)生的差壓也越大，通過(guò)測(cè)量差壓來(lái)測(cè)量通過(guò)孔板的流體的流量,見(jiàn)式(1):
式中：ｑｖｎ—流體在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量；ｃ—流出系數(shù)；ε—可膨脹性系數(shù)；β—直徑比；ｄ—操作條件下孔板開孔直徑；ΔＰ—差壓；ρ１—流體在操作條件下上游取壓孔處密度；ρｎ—標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)具有技術(shù)成熟,生產(chǎn)安裝標(biāo)準(zhǔn)化,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于石化和城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)的天然氣測(cè)量。但由于其復(fù)雜的測(cè)量原理和苛刻的安裝條件及對(duì)流體性能的嚴(yán)格要求,存在較多影響其測(cè)量結(jié)果精度的因素。結(jié)合多年來(lái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的工藝設(shè)計(jì)使用及維護(hù)經(jīng)驗(yàn),簡(jiǎn)要論述一下影響標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量精度的因素并提出應(yīng)對(duì)措施。
1工藝設(shè)計(jì).上的影響因素
1.1前端直管道不符合規(guī)范要求
在輸配站場(chǎng)中，由于受場(chǎng)地和工藝的流程的限制,不可避免的要在節(jié)流孔板前端設(shè)置三通、彎頭、閥門、等管件和輸配設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣的前提是流體為充分發(fā)展的紊流狀態(tài)的單相流，流速在管道內(nèi)沿軸線均勻?qū)ΨQ分布。節(jié)流孔板前端的管件和輸配設(shè)備必將對(duì)天然氣形成阻流、轉(zhuǎn)向和流速分布的改變,為了獲得符合要求的流體,必須要使節(jié)流裝置前端和阻流件之間有足夠長(zhǎng)的直管段。按照GB/T21446 - 2008 5.3的規(guī)定,孔板與阻流件間的最短長(zhǎng)度應(yīng)符合表1規(guī)定。
由表1可知，除去在β取極小值的0.2的情況外,對(duì)于其他的β值前端直管段普遍在20D以上。對(duì)于這樣的直管段長(zhǎng)度要求,在工藝設(shè)計(jì)上顯然是難以完全滿足規(guī)范要求的。因此在前端直管長(zhǎng)度上不是所有標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)都能夠滿足規(guī)范要求的。這是影響標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量精度-大因素。
1.2 采用了較大的計(jì)量管或較大的孔徑比
在進(jìn)行流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí),一般會(huì)上浮一定的裕量,采用較大的計(jì)量管。但在實(shí)際的供氣中,用氣量往往達(dá)不到設(shè)計(jì)流量,造成在運(yùn)行時(shí)天然氣流體的管徑雷諾數(shù)較小。根據(jù)流體力學(xué),天然氣管徑雷諾數(shù)越小其質(zhì)子和其中的微粒擴(kuò)散越弱,這既不利于天然氣流體在計(jì)量管內(nèi)形成流速分布均勻的紊流,又會(huì)造成固體微粒凝聚形成兩相流。同時(shí)雷諾數(shù)越小流體抵御管道內(nèi)壁粗糙度影響的能力越弱。因此計(jì)量管選擇過(guò)大將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度產(chǎn)生不利影響。從表1可知在同一阻流件下,孔徑比越大要求前端直管段越長(zhǎng),這就意味如果采用的β值越大,越難以滿足規(guī)范的技術(shù)要求。因此在設(shè)計(jì)中采用大管徑計(jì)量管或是大孔徑比，都將對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度產(chǎn)生不利影響。
1.3 采用先調(diào)壓后計(jì)量的工藝
該方式可在標(biāo)準(zhǔn)孔板處可以得到較穩(wěn)定的靜壓,但是調(diào)壓閥卻會(huì)嚴(yán)重影響天然氣的流態(tài)。目前調(diào)壓閥體內(nèi)的天然氣通道絕大部分為U型通道,且閥口開度只有10來(lái)毫米甚至幾毫米,天然氣在經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥后,流態(tài)和流速都變得極為不穩(wěn)定,并且調(diào)壓閥閥口開度頻繁的調(diào)節(jié)還會(huì)引發(fā)天然氣脈動(dòng)流。天然氣的流態(tài)根本不能滿足標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣的關(guān)于流體流態(tài)的規(guī)定,這必將對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度產(chǎn)生較大的影響。這種影響的大小根本沒(méi)法從理論上評(píng)估。.
1.4流動(dòng)調(diào)整器與孔板間距離不符合要求
流動(dòng)調(diào)整器可以減小孔板前端直管段的長(zhǎng)度,在安裝位置上對(duì)于不同的前端阻流件是有嚴(yán)格要求的。在工藝設(shè)計(jì)中，往往沒(méi)有考慮前端阻流器的類型和阻流件與孔板間的距離,而將流動(dòng)調(diào)整器與孔板間的距離都簡(jiǎn)化為13倍計(jì)量管內(nèi)徑,或者直接將流動(dòng)調(diào)整器與上游計(jì)量管連接。按照GB/T21446- 2008相對(duì)于不同的阻流件及其與孔板間的距離，流動(dòng)調(diào)整器與孔板間的距離應(yīng)符合表2規(guī)定。
表2的數(shù)據(jù)時(shí)在通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出的數(shù)據(jù),是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量的前提。如不嚴(yán)格執(zhí)行表2的技術(shù)要求，將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生附加不確定度,其影響程度只有通過(guò)在線校準(zhǔn)評(píng)估。
1.5 計(jì)量系統(tǒng)組件的影響
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)要實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣流量的測(cè)量,除了節(jié)流裝置外還需要配備二次儀表、流量計(jì)算機(jī)以及信號(hào)處理與采集設(shè)備,其計(jì)量系統(tǒng)組成如圖1。
從圖1可以看出，節(jié)流裝置只是產(chǎn)生差壓，要測(cè)量天然氣的流量必須依靠壓力、差壓變送器、溫度變送器、密度傳感器等二次儀表測(cè)量相應(yīng)的參數(shù)并經(jīng)信號(hào)隔離、采集和轉(zhuǎn)換后輸人流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。因此二次儀表、信號(hào)隔離器的精度等級(jí)和性能以及流量計(jì)算機(jī)的流量計(jì)算方法,都會(huì)對(duì)天然氣的流量測(cè)量結(jié)果直接的影響。在進(jìn)行計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由于對(duì)二次儀表及信號(hào)隔離器的精度等級(jí)選擇過(guò)低,最終導(dǎo)致天然氣的測(cè)量精度超出規(guī)定的范圍。根據(jù)GB/T18603 - 2014的規(guī)定在不同測(cè)量等級(jí)的計(jì)量系統(tǒng)中二次儀表的精度等級(jí)應(yīng)符合表3要求。
另外流量計(jì)算機(jī)的計(jì)算模型編程方法、數(shù)據(jù)采集周期、累計(jì)算法也會(huì)對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。
2安裝上的影響因素
2.1節(jié)流裝置及前后直管段安裝影響因素
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的測(cè)量公式中的流出系數(shù)c是在嚴(yán)格的試驗(yàn)條件下得出的,現(xiàn)場(chǎng)的安裝必須嚴(yán)格按照GB/T21446 -2008執(zhí)行，才能確保流出系數(shù)c不發(fā)生變化。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的調(diào)整器、計(jì)量管、節(jié)流裝置等都通過(guò)法蘭連接,在安裝是容易出現(xiàn)各個(gè)部件不同心，導(dǎo)致孔板中心和計(jì)量管軸線不在同一直線上或孔板端面與軸線不垂直。GB/T21446 -2008要求孔板與軸線傾斜度不得超過(guò)1°,如果超過(guò)允許范圍會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏小。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)當(dāng)孔板傾斜度超過(guò)1°時(shí),測(cè)量誤差隨β的增大而增大,最大可達(dá)-3.5%
2.2二次儀表安裝影響因素
(1)壓力、差壓變送器的導(dǎo)壓管彎管半徑過(guò)小，管道坡度不夠,會(huì)造成壓力、 差壓波動(dòng)失真。鉑電阻安裝方向不對(duì)或插入深度不符合要求，會(huì)造成溫度測(cè)量誤差。這些會(huì)導(dǎo)致因壓力、差壓、溫度測(cè)量誤差而影響天然氣測(cè)量結(jié)果的精度。
(2)在標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)變送器與信號(hào)隔離器之間都采用屏蔽電纜連接。屏蔽層應(yīng)在控制端與工作接地連接,現(xiàn)場(chǎng)端浮空。一些計(jì)量系統(tǒng)錯(cuò)誤的采用兩端都與工作接地連接,或直接將屏蔽層與防雷接地連接。這些錯(cuò)誤連接不但起不到防電磁干擾的作用，反而會(huì)在屏蔽層的兩端形成電勢(shì)差,引起變送器測(cè)量信號(hào)的傳輸誤差。
3使用維護(hù)的影響因素
(1)天然氣中管道中積聚液態(tài)水或是在工藝中使用壓縮機(jī)加壓，都會(huì)引發(fā)天然氣流體脈動(dòng)流。脈動(dòng)流會(huì)引起壓力和差壓的呈周期性的突變,使壓力、差壓測(cè)量不準(zhǔn)確。在運(yùn)行中難免會(huì)在孔板、計(jì)量管、導(dǎo)壓管內(nèi)沉積粉塵和積液。由于天然氣的連續(xù)沖蝕，計(jì)量管內(nèi)壁、孔板的粗糙度增大。這些因素都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差。
(2)在使用中注重對(duì)二次儀表的校驗(yàn),忽視了對(duì)節(jié)流裝置、孔板的檢查和信號(hào)隔離器的校驗(yàn)。計(jì)量系統(tǒng)作為一個(gè)整體,其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差都會(huì)導(dǎo)致天然氣的測(cè)量誤差。
(3)目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)采用離線氣質(zhì)分析，一個(gè)月或一個(gè)季度進(jìn)行一次采樣分析，并將分析結(jié)果輸人流量計(jì)算機(jī)用于流量計(jì)算。而現(xiàn)場(chǎng)天然氣其組分是在不斷變化的,這種離線分析的方式必然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。
4應(yīng)對(duì)措施
4.1在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化工藝流程,保證前端直管段的長(zhǎng)度,流動(dòng)調(diào)整器要嚴(yán)格按規(guī)定的位置設(shè)計(jì)在滿足流量的情況下采用小計(jì)量管和較小的β值,以犧牲一定的壓力來(lái)確保前端直管段長(zhǎng)度和天然氣流態(tài)符合規(guī)范要求。嚴(yán)格執(zhí)行先計(jì)量后調(diào)壓的流程,避免計(jì)量受調(diào)壓的影響。計(jì)量?jī)x表應(yīng)由計(jì)量工程師根據(jù)流量、壓力等參數(shù)選擇,使其精度等級(jí)、量程和性能滿足測(cè)量要求。
4.2安裝是確保標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確的重要保證
安裝時(shí)重點(diǎn)控制孔板、計(jì)量管的同心度。用于與計(jì)量管連接的管道要嚴(yán)格檢查內(nèi)壁粗糙度和內(nèi)徑是否符合要求。加強(qiáng)二次儀表安裝、布線控制,避免二次儀表引人誤差的影響因素。
4.3 對(duì)天然氣進(jìn)行除塵、脫水處理,減少粉塵、液態(tài)水對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
在工藝上設(shè)置進(jìn)站緩沖設(shè)備，消除流體的脈動(dòng)。定期對(duì)孔板、節(jié)流裝置、二次儀表進(jìn)行檢查維護(hù),根據(jù)流量適時(shí)調(diào)整孔板孔徑,根據(jù)計(jì)量管、孔板的粗糙度,對(duì)流出系數(shù)進(jìn)行修正。定期校驗(yàn)時(shí)既要對(duì)二次儀表隔離器進(jìn)行單獨(dú)校驗(yàn)，又要對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)校，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確�？s短氣質(zhì)采樣分析周期,盡量減少因氣質(zhì)參數(shù)引起的測(cè)量誤差。對(duì)于大流量及重要測(cè)量點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行周期性的在線校準(zhǔn)，檢查計(jì)量系統(tǒng)是否符合技術(shù)要求,實(shí)際不確定度超出技術(shù)要求時(shí)應(yīng)進(jìn)行在線校準(zhǔn)系數(shù)修正。
5結(jié)束語(yǔ)
隨著二次儀表的應(yīng)用,因二次儀表測(cè)量誤差造成的影響越來(lái)越小，流量計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,使流量計(jì)算變得快捷準(zhǔn)確，避免了人工計(jì)算流量的誤差。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量的先決條件是流體為充分發(fā)展的紊流狀態(tài)的單相流，流速在管道內(nèi)沿軸線均勻?qū)ΨQ分布。其流出系數(shù)也是假定流體雷諾數(shù)大于10°,且孔板前端有很長(zhǎng)的直管段的試驗(yàn)條件下得出.的。由此可見(jiàn)天然氣的流態(tài)、管徑雷諾數(shù)以及前端直管段長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度起至關(guān)重要的作用,在實(shí)踐中應(yīng)重點(diǎn)考慮這三個(gè)方面的要求。
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