差壓式孔板流量計誤差影響因素的研究

孫寧

（重慶燃氣集團股份有限公司，重慶400020）

1 差壓式孔板流量計的計量系統工作原理

①差壓式孔板流量計是根據流體流經過孔板時，流束在孔板處形成收縮，流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產生差壓。流體流速越大，差壓越大，兩個壓力的壓差與流體的流量成正相關的關系。通過測量差壓，計算出流體的流量大小。這種測量方法是以能量守恒定律和流動連續性方程為基礎的。

②差壓式孔板流量計系統主要是由一次裝置（標準孔板）、二次裝置（差壓測量儀表）、靜壓測量儀表、溫度測量儀表、信號引線及流體組分分析儀表和流量計算機系統（硬件和軟件）組成。流量計算機系統將流體的不同成分組合，集合測量儀表檢測到流體的實時差壓、靜壓、溫度等數據，通過變送器轉換為4-20mA 的標準信號，以及采集流體所有相關的工況數據進行處理，最后以標況體積流量顯示出來。

③天然氣在標準條件下體積流量計算公式：

Qvn——天然氣在標準參比條件下的體積流量，m3/s；

Avn——體積流量計量系數，取3.1794×10-6；

C——流出系數，與節流裝置的結構、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比、雷諾數Re、孔口邊緣銳度、粗糙度有關，在一定的安裝條件下，對于給定的節流裝置，該值僅與雷諾數Re 有關；

d——孔板開孔直徑，mm；

FG——相對密度系數其中Gr為天然氣真實相對密度，ρn為天然氣真實密度；

ε——可膨脹性系數，與孔板前后壓力的相對變化量、流體等熵指數、孔口截面積與管道截面積之比等因素有關，用以修正天然氣通過孔板時因密度變化而引起的流量變化；

Fz—超壓縮系數天然氣標準條件下的壓縮因子

，Z1——天然氣操作條件下的壓縮因子；

FT——流動溫度系數，為節流裝置實測溫度，℃；

P1——孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓，MPa；

ΔP——氣流流經孔板時產生的差壓，該壓力值為差壓變送器在線實時測量，kPa。

2 被測介質實際物理性質的影響因素

2.1 天然氣相對密度對孔板流量計的影響

①天然氣相對密度的確定方法有兩種：一是用真實相對密度計測量，二是利用氣分析儀，分析和計算出天然氣的全部組分含量，然后人工輸入流量計的計算機系統。組分對計量結果的影響為：如果輕質成分（如甲烷）含量增加，則天然氣密度ρn會減小，相對密度相應減小，根據公式，相對密度系數FG則減小，計量結果與真實值相比會減小，造成少計量的情況。

②孔板流量計是人工輸入氣體組分含量來計算天然氣相對密度這一中間量的，對于壓力變化導致密度變化，通常采取的辦法是引入溫度、壓力補償予以解決，該補償實質是補償因流體溫度、壓力變化導致的流體密度變化對流量測量結果的影響。

被測管道內天然氣各組分含量隨時都可能發生變化，對于多氣源的集輸站更是如此。如果氣體組分含量沒有實時更新，那么參與流量計算的天然氣相對密度系數FG也不是實時更新的，這也會導致計量出現誤差。

2.2 天然氣壓縮因子對孔板流量計的影響

應按照GB/T 17747—2011 要求，天然氣標準參比條件下的壓縮因子和操作條件下的壓縮因子應計算超壓縮系數Fz。當被測天然氣的相對密度小于或等于0.75，氮氣N2、二氧化碳CO2的摩爾分數小于或等于0.15 時，可以直接按照公式Fz=計算。否則，應按照分別計算Zn和Z1，再按照公式計算出Fz[1]。

其準確度可用GB/T 21446—2008 附錄A 提供的《超壓縮系數FZ值表》進行檢驗。

嚴格按照GB/T 13609—2017 進行天然氣氣質采樣，定期更新氣質組分，避免壓縮因子計算失當，造成計量準確度產生偏差。

2.3 可膨脹系性數對孔板流量計的影響

①可膨脹系性數是氣體流經孔板時，因密度產生變化而引入的修正系數，這也是計量產生誤差的一個重要來源。②當天然氣流量低于設計流量時，實際的可膨脹系性數低于設計的可膨脹系性數，造成計量結果偏??；反之，計量結果偏大。③當實際流量與設計流量一致，而靜壓低于設計壓力，實際的可膨脹系性數小于設計的可膨脹系性數，使計量結果偏大；反之，計量結果偏小。④由于壓力及ΔP 的變化而引起ε 的變化，我們往往對此重視不夠。流體通過節流裝置時，節流件上下游產生一定的差壓，下游靜壓降低，出現流束膨脹，流束的膨脹會使差壓裝置的輸出（差壓）與輸入（流量）關系同不可壓縮的流體之間存在一定的偏差[2]。⑤實際使用中如果不校正這種偏差，將會造成流量嚴重偏高，可膨脹系性數就是為修正該偏差而引入的變量，其校正方法如下：準確輸入各參數，CPU 的應用可使通過計算可膨脹系性數的校正系數K 實現自動校正：可膨脹性系數使用值；ε2——可膨脹性系數設計值。自動校正后，為保證校正的精度，可人工計算K 的應有值和理論值后進行校驗；查閱GB/T 2624—2006 中的可膨脹系性數值進行校驗。

3 孔板對計量結果的影響因素

①根據GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》要求，孔板應與節流裝置前后直管段同軸，避免孔板偏心，孔板偏心引起的計量誤差通常在2%以內。②直徑比β值（孔板開孔直徑/上游測量管內徑）愈高，偏心率影響愈大。β 值在0.55 時，不確定度最?。沪?從0.65 變化到0.75 時，不確定度幾乎成直線上升趨勢，可見直徑比β 值對計量結果的影響是很大的。③孔板孔徑偏大、流量偏小，造成大孔板測小流量，使差壓值偏小、差壓變送器工作在量程的10%以下，繼而產生誤差，造成計量氣量偏小。④當孔板入口邊緣磨損變鈍、不銳或受腐蝕發生缺口，其結果是：在相同的流量下，孔口后流體的收縮程度減弱，差壓不斷降低，造成計量氣量偏小。⑤孔板表面結垢和污物雜質堆積在孔板上游，會造成差壓信號不準，甚至堵塞孔板前后的取壓環室，造成較大的計量誤差。

4 在實際工作中常見的問題

①差壓變送器長期使用后，零點會發生一定程度的漂移。正漂移會引起差壓變送器輸出電流大于4mA，造成計量偏高；負漂移則引起差壓變送器輸出電流小于4mA，造成計量偏低。這兩種情況在氣溫變化較大時常有發生，在實際工作中要定期進行檢查，及時消除零點漂移現象。②失誤操作，如孔板裝反、系統參數輸入有誤、變送器三閥組操作不當等，都會產生附加誤差。③用氣負荷的變化也會造成孔板流量計出現誤差，如用氣負荷降低，使差壓變送器在低限運行，會造成計量偏低；反之，會使差壓變送器超限運行，造成計量不準。

5 結語

影響差壓式孔板流量計計量出現誤差的原因非常多，難以進行綜合定量分析。在天然氣流量測量過程中，計量誤差是不可避免的。使用中，對于差壓式孔板流量計的一次裝置（標準孔板）和二次裝置（差壓、靜壓、溫度、計量參數、計量器具等）和配套裝置的選擇、設計、安裝和運行，應嚴格按照相關標準執行，定期對差壓式孔板流量計進行檢測、調校、和維護，及時修正不相符之處，以確保計量儀表的準確度。