孔板流量計的誤差來源與實際控制

辛立峰

中國石油管道中原輸油氣分公司，山東德州 253020

孔板流量計的誤差來源與實際控制

辛立峰

中國石油管道中原輸油氣分公司，山東德州 253020

標準孔板流量計是一種非常成熟的流量計，在多年的試驗和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，以其耐高壓，安裝使用維護方便等諸多優(yōu)點在我國天然氣計量中占有主導(dǎo)地位。本文就孔板流量計的在應(yīng)用中誤差來源加以識別，分析了誤差產(chǎn)生原因，并針對現(xiàn)場實際情況，提出了控制措施。

.天然氣；孔板流量計；誤差；原因；控制..

天然氣流量計量已經(jīng)成為天然氣工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要組成部分，天然氣流量計量儀表品種很多，其中孔板流量計自20世紀70年代引入我國使用，逐步在天然氣流量計量中獲得了廣泛應(yīng)用，到目前為止，孔板流量計在我國天然氣計量中仍然占有主導(dǎo)地位。標準孔板流量計最主要的優(yōu)點是耐高壓，安裝使用維護方便，對介質(zhì)潔凈程度的要求也不高，可與電子儀表和機械儀表單獨配套，在多年的試驗和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，是一種非常成熟的流量計。但是，由于組成測量系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)較多，影響孔板計量準確度的因素很多，現(xiàn)就孔板流量計的誤差來源加以分析，并針對誤差來源，在實際應(yīng)用中采取相應(yīng)措施，以提高計量準確度。

1 孔板流量計的組成和原理

1.1 孔板流量計的組成

標準孔板流量計由截流裝置，信號引線和二次儀表系統(tǒng)組成。其中節(jié)流裝置是使管道中流體產(chǎn)生靜壓力差的裝置，主要由標準孔板，取壓裝置和上下游直管段組成。

1.2 基本原理

充滿管道的流體，當它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖所示，流速將在節(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，這樣依據(jù)壓差來衡量流量的大小。如圖1所示。

圖1

2 孔板流量計的計算方法和參數(shù)變量分析

這種測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。

2.1 流量計算公式

根據(jù)《天然氣流量的標準孔板計量方法》（SY/6143-2004）給出的天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式：

式中：

Qvn為天然氣在標準參比條件下的體積流量；

Avn為體積流量計算系數(shù)；

C為流出系數(shù)；

E為漸進速度系數(shù)；

d為孔板開孔直徑；

FG為相對密度系數(shù)；

ε為可膨脹系數(shù)；

FT為超壓縮系數(shù)；

FZ為流動溫度系數(shù)；

P1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對靜壓；

△ P為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓。

2.2 由參數(shù)的確定分析流量測量的誤差源

1）Avn確定方法：視采用的計量單位而定

秒體積流量（m3/s）Avn：=3.1795×10-6；

小時體積流量（m3/h）Avn：=0.011446；

日體積流量（m3/d）Avn：=0.27471。

2）C確定方法：里德-哈利斯/加拉赫（Reader-Harris/Gallagher）公式

C=0.5961+0.0261β2-0.216β8+0.000521（106β/ReD）0.7+（0.0188+0.0063A）β3.5（106/ReD）0.3+（0.043+0.080e-10L1-0.123e-7L1）（1-0.11A）β4/（1-β4）-0.031（M'2-）β1.3在D＜71.12mm情況下，上述公式應(yīng)加上下列數(shù)項+0.011（0.75-β）（2.8-D/25.4）（D:mm）

式中：β=d/D——直徑比；

ReD與D有關(guān)的雷諾數(shù)；

A=（19000β/ReD）0.8

M'2=2L'2/（1-β）

L1=l1/D——孔板上游端面到上游取壓口的距離除以管道直徑的商；

L'2=l'2/D——孔板下游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑的商（符號L'2表示自孔板下游端面為起始位置的有關(guān)下游間距，而L2表示自孔板上游端面為起始位置的有關(guān)下游間距）；

D——mm；

對于角接取壓法 L1=L'2=0；

對于D和D/2取壓法 L1=1，L2=0.47；

對于法蘭取壓法 L1=L'2=25.4/D

3）ε的確定方法

（1）涉及到的中間變量

κ為等熵指數(shù)，等熵指數(shù)是壓力和溫度的函數(shù)，必要時采用κ=1.3；

P2為孔板下游側(cè)絕對靜壓P2= P1-△P。

（2）涉及到的獨立變量

P1為孔板上游側(cè)絕對靜壓；

△P為差壓，計量儀表的實測值。

4）d的確定方法

（1）涉及到的中間變量

λd孔板材料在20℃～t1范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)，根據(jù)孔板材料為確定值

（2）涉及到的獨立變量

d20為孔板開孔在20℃下的實測值

t1為天然氣流過節(jié)流裝置時的實測氣流溫度。

5）E確定方法

（1）涉及到的中間變量

（2）涉及到的獨立變量

d20為孔板開孔在20℃下的實測值；

D20為管道在20℃下的實測值。

6）FG的確定方法

（1）涉及到的中間變量

Gr——氣體的真實相對密度；

（2）涉及到的獨立變量

天然氣的摩爾組分值

7）FT的確定方法

（1）涉及到的中間變量

（2）涉及到的獨立變量

t1-_氣體的實際測量溫度

8）FZ的確定方法

式中：

Zn為然氣在標準狀態(tài)下的壓縮因子，

Z1為然氣在工作狀態(tài)下的壓縮因子

涉及到的中間變量：

Zn、 Z1這兩個變量都可以通過計算和測量兩種方法來確定，可以遵照標準GB/T17747.2 天然氣在工作狀態(tài)下的壓縮因子《天然氣壓縮因子的計算 用摩爾組成進行計算》和標準GB/T17747.3《天然氣壓縮因子的計算 用物性值計算》來計算。壓縮因子和密度互為函數(shù)關(guān)系，一般只需測定一個。

由以上參數(shù)的確定方法可以看出，在參與計算的參數(shù)中，有些是無法實測的，稱為統(tǒng)計量，例如流出系數(shù)C，可膨脹性系數(shù)ε，其他的參數(shù)都可以通過測量單獨變量計算得出，這些單獨變量包括測量管內(nèi)徑d20，孔板開孔直徑D20，差壓△P，天然氣流動的熱力學溫度t1，天然氣流動時上游測的壓力P1，相對密度，天然氣壓縮因子。下面就針對這些參數(shù)和變量的性質(zhì)，分析其誤差產(chǎn)生的原因，在實際應(yīng)用中，采取相應(yīng)的措施，使天然氣計量誤差得以降低。

3 天然氣計量誤差產(chǎn)生的原因分析

3.1 統(tǒng)計量的誤差分析

1）流出系數(shù)C

對于流出系數(shù)C的研究，人們一直沒有停止過，通過豐富和充分的試驗數(shù)據(jù)，人們對影響流出系數(shù)的因素有了許多的認識，影響流出系數(shù)偏離的原因[2]：

（1）儀器本身產(chǎn)生的誤差

①孔板入口直角銳利度超出標準規(guī)定；②管徑尺寸與計算不符；③孔板厚度誤差；④節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏心；⑤孔板上游端面平度；⑥環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、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；⑩節(jié)流件不同軸度。

（2）安裝誤差

管線布置的偏離，管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的，其產(chǎn)生的主要原因是現(xiàn)場不能滿足直管段要求的長度。

（3）使用誤差

①孔板彎曲(變形) ；②上游測量管沉積臟物；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)范圍不符合標準規(guī)定；⑥管道粗糙度影響（管道粗糙度增加、管道粗糙度變化）。

2）可膨脹性系數(shù)ε

可膨脹性系數(shù)ε是對流體通過節(jié)流件時密度發(fā)生變化而引起的流出系數(shù)變化的修正，它的誤差由兩部分組成：其一為常用流量下ε的誤差，即標準確定值的誤差；其二為由于流量變化ε值將隨之波動帶來的誤差。一般在低靜壓高差壓情況，ε值有不可忽略的誤差。當△P/P≤0.04時，ε的誤差可忽略不計。

3.2 實測量誤差產(chǎn)生的原因

1）d20、D20誤差產(chǎn)生的原因[1]

對于δd/d及δD/D的數(shù)據(jù)，應(yīng)是一種在嚴格的檢定條件下（人員、設(shè)備、方法、環(huán)境等符合有關(guān)標準），認真按照有關(guān)檢定規(guī)程和技術(shù)標準的要求，對新制造的或使用中的孔板及測量管進行檢定時所允許的測量不確定度，即δd20/d20≤±0.07%、δD20/D20≤±0.40%（下標20表示檢定狀態(tài)）。但由于要考慮現(xiàn)場的實際工況條件，因此這種檢定要求忽略了如下一些影響因素：

（1）未對d20及D20進行實際工況條件下的溫度修正；

（2）現(xiàn)場配備的長度計量器具（如游標卡尺）往往不能按期送檢，現(xiàn)場計量人員也未進行長度計量測試方面的專業(yè)培訓(xùn)；

（3）對在用中的測量管，幾乎都未考慮腐蝕、變形及積塵附著等對其實際內(nèi)徑產(chǎn)生的變化；

（4）由于測量管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，部分生產(chǎn)廠家目前只選擇了分別距孔板上、下游端面0D（或0.5D）的兩個截面進行內(nèi)徑測量，并將平均值刻在銘牌上供用戶參考，一般的標準都要求至少測量4個截面。

這些因素導(dǎo)致了實際工況條件下孔板孔徑及測量管內(nèi)徑的測量不確定度往往會超出標準規(guī)定的范圍，即δd/d＞±0.07%、δD/D＞±0.40%。

2）P1、△P、t1誤差產(chǎn)生的原因

這幾個變量，都屬于二次儀表測量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些參數(shù)的產(chǎn)生和測量過程，誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

對于差壓和壓力信號，正確的取壓孔及引壓管線的制造、安裝及使用是保證獲得真實數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，這些影響因素很多是難以定量或定性確定的，只有加強制造及安裝的規(guī)范化工作才能達到目的。對于溫度數(shù)據(jù)而言，是否能夠真實地反映被測流體內(nèi)部的溫度是數(shù)據(jù)真實的關(guān)鍵，主要是感溫元件與氣流的接觸是否良好，包括感溫頭的安裝位置、插入深度、方向以及表面的清潔程度等[1]。

（2）數(shù)據(jù)的測量與傳遞

儀表選型是否合適，安裝位置是否合理，運行是否正常都是數(shù)據(jù)測量和傳遞過程中誤差產(chǎn)生的原因。

3）相對密度，天然氣壓縮因子誤差產(chǎn)生的原因

相對密度，天然氣壓縮因子都屬于氣體的物性參數(shù)，天然氣組成分析數(shù)據(jù)是用于物性參數(shù)計算，并通過物性參數(shù)間接影響流量計算結(jié)果。天然氣物性參數(shù)測量的準確度，取決于天然氣取樣技術(shù)。天然氣取樣技術(shù)是關(guān)系到所取樣品是否有代表性總是不但影響到天然氣組成分析結(jié)果，也影響到物性參數(shù)的測量結(jié)果。取樣技術(shù)由三個因素組成，即取樣點分布、取樣方式和取樣周期。

（1）取樣點分布

取樣點的分布決定了所取的天然氣樣品是否有代表性。

①對于多氣源的輸配氣計量站，可在氣體入口下游與流量計上游之間能使天然氣充分混合的匯管處設(shè)置取樣點；②對于單一氣源的輸氣計量站，可在氣體入口處設(shè)置取樣點；③對于流量大的用戶，如果用戶需要，可在流量計的上游或下游不影響流量測量準確度的管道或匯管處設(shè)置取樣點。

（2）取樣方式

取樣方式有邊連續(xù)取樣、累積取樣和單點取樣3種。連續(xù)取樣是與在線分析相結(jié)合的。累積取樣要求有控制流入取樣鋼瓶的流量控制裝置，注入鋼瓶的流量與鋼瓶的容積、氣源壓力、計量點流量大小和收集樣品的周期有關(guān)，技術(shù)比較復(fù)雜。單點取樣是最簡單的取樣方式，在國內(nèi)被廣泛地應(yīng)用。

（3）取樣周期

對于連續(xù)取樣方式，取樣周期取決于在線分析周期，在累積取樣方式中，大多是一周收集一次。在單點取樣方式中，國外大多是一天取一次，國內(nèi)一般是一個月或一個季度取一次。

4 實際應(yīng)用中的控制措施

1）節(jié)流裝置設(shè)計，制造和安裝規(guī)范化；

2）加強對重點設(shè)備的檢查維護和保養(yǎng)：

（1）孔板

檢查內(nèi)容包括：

①定期檢定；

②定期檢查，檢查內(nèi)容包括；

③上游端面無可見損傷；

④上游邊緣無卷口，無毛邊，無目測可見的異常現(xiàn)象當孔板大于或等于MM時，目測檢查，將孔板上游端面傾斜，用日光或人工光源射向直角入口邊緣，邊緣無反射光束；

⑤下游邊緣無毛刺，劃痕和可見損傷；

⑥定期排污和清洗。

（2）氣路

主要檢查從孔板閥到各個變送器的氣路是否有泄漏、堵塞等現(xiàn)象，氣路中是否有液體存在，主要是引壓管的接頭、三通、針形閥、放空閥以及三閥組等各個部位

（3）二次儀表

在保證儀表選型和精度等級正確的基礎(chǔ)上，定期對儀表進行維護和保養(yǎng)。主要包括：

①定期檢定；

②檢查差壓變送器、壓力變送器的零點。

（4）流量計算機

主要是對流量計算機的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置及計算的準確性進行檢察，主要有以下內(nèi)容：

①通道的檢查；

②參數(shù)設(shè)置的檢查；

③計算準確度的檢查。

可通過一些簡便實用的流量計算軟件在相同條件下的計算值與流量計算機的計量值進行對比，分別計算機組數(shù)據(jù)，觀察結(jié)果是否相近。

5 結(jié)論

總之，只要從設(shè)計、安裝、使用等方面都嚴格執(zhí)行有關(guān)標準，用孔板流量計計量天然氣的準確度將大大提高。

[1]羅明強，張金鵬.對天然氣流量測量不確定度問題的認識.

[2]陳朝書.天然氣計量中存在的問題及對策.油氣儲運.

[3]行業(yè)標準SY/T6143—2004.用標準孔板流量計測量天然氣流量.

TE642

A

.1674-6708（2011）52-0080-03

辛立峰，工作單位：.中國石油管道中原輸油氣分公司，研究方向：天然氣長輸管道