孔板流量計(jì)的誤差來源與實(shí)際控制

辛立峰

中國(guó)石油管道中原輸油氣分公司，山東德州 253020

孔板流量計(jì)的誤差來源與實(shí)際控制

辛立峰

中國(guó)石油管道中原輸油氣分公司，山東德州 253020

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是一種非常成熟的流量計(jì)，在多年的試驗(yàn)和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，以其耐高壓，安裝使用維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)天然氣計(jì)量中占有主導(dǎo)地位。本文就孔板流量計(jì)的在應(yīng)用中誤差來源加以識(shí)別，分析了誤差產(chǎn)生原因，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了控制措施。

.天然氣；孔板流量計(jì)；誤差；原因；控制..

天然氣流量計(jì)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(jì)量?jī)x表品種很多，其中孔板流量計(jì)自20世紀(jì)70年代引入我國(guó)使用，逐步在天然氣流量計(jì)量中獲得了廣泛應(yīng)用，到目前為止，孔板流量計(jì)在我國(guó)天然氣計(jì)量中仍然占有主導(dǎo)地位。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)最主要的優(yōu)點(diǎn)是耐高壓，安裝使用維護(hù)方便，對(duì)介質(zhì)潔凈程度的要求也不高，可與電子儀表和機(jī)械儀表單獨(dú)配套，在多年的試驗(yàn)和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，是一種非常成熟的流量計(jì)。但是，由于組成測(cè)量系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)較多，影響孔板計(jì)量準(zhǔn)確度的因素很多，現(xiàn)就孔板流量計(jì)的誤差來源加以分析，并針對(duì)誤差來源，在實(shí)際應(yīng)用中采取相應(yīng)措施，以提高計(jì)量準(zhǔn)確度。

1 孔板流量計(jì)的組成和原理

1.1 孔板流量計(jì)的組成

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)由截流裝置，信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，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(jì)的計(jì)算方法和參數(shù)變量分析

這種測(cè)量方法是以流動(dòng)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(jì)算公式

根據(jù)《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法》（SY/6143-2004）給出的天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式：

式中：

Qvn為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量；

Avn為體積流量計(jì)算系數(shù)；

C為流出系數(shù)；

E為漸進(jìn)速度系數(shù)；

d為孔板開孔直徑；

FG為相對(duì)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(dòng)溫度系數(shù)；

P1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對(duì)靜壓；

△ P為氣流流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓。

2.2 由參數(shù)的確定分析流量測(cè)量的誤差源

1）Avn確定方法：視采用的計(jì)量單位而定

秒體積流量（m3/s）Avn：=3.1795×10-6；

小時(shí)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(xiàng)+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(hào)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(duì)于角接取壓法 L1=L'2=0；

對(duì)于D和D/2取壓法 L1=1，L2=0.47；

對(duì)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(shí)采用κ=1.3；

P2為孔板下游側(cè)絕對(duì)靜壓P2= P1-△P。

（2）涉及到的獨(dú)立變量

P1為孔板上游側(cè)絕對(duì)靜壓；

△P為差壓，計(jì)量?jī)x表的實(shí)測(cè)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(dú)立變量

d20為孔板開孔在20℃下的實(shí)測(cè)值

t1為天然氣流過節(jié)流裝置時(shí)的實(shí)測(cè)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(dú)立變量

d20為孔板開孔在20℃下的實(shí)測(cè)值；

D20為管道在20℃下的實(shí)測(cè)值。

6）FG的確定方法

（1）涉及到的中間變量

Gr——?dú)怏w的真實(shí)相對(duì)密度；

（2）涉及到的獨(dú)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(dú)立變量

t1-_氣體的實(shí)際測(cè)量溫度

8）FZ的確定方法

式中：

Zn為然氣在標(biāo)準(zhǔn)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(gè)變量都可以通過計(jì)算和測(cè)量?jī)煞N方法來確定，可以遵照標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算 用摩爾組成進(jìn)行計(jì)算》和標(biāo)準(zhǔn)GB/T17747.3《天然氣壓縮因子的計(jì)算 用物性值計(jì)算》來計(jì)算。壓縮因子和密度互為函數(shù)關(guān)系，一般只需測(cè)定一個(gè)。

由以上參數(shù)的確定方法可以看出，在參與計(jì)算的參數(shù)中，有些是無法實(shí)測(cè)的，稱為統(tǒng)計(jì)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(cè)量單獨(dú)變量計(jì)算得出，這些單獨(dú)變量包括測(cè)量管內(nèi)徑d20，孔板開孔直徑D20，差壓△P，天然氣流動(dòng)的熱力學(xué)溫度t1，天然氣流動(dòng)時(shí)上游測(cè)的壓力P1，相對(duì)密度，天然氣壓縮因子。下面就針對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，采取相應(yīng)的措施，使天然氣計(jì)量誤差得以降低。

3 天然氣計(jì)量誤差產(chǎn)生的原因分析

3.1 統(tǒng)計(jì)量的誤差分析

1）流出系數(shù)C

對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)，人們對(duì)影響流出系數(shù)的因素有了許多的認(rèn)識(shí)，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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；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；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(chǎng)不能滿足直管段要求的長(zhǎng)度。

（3）使用誤差

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（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(duì)流體通過節(jié)流件時(shí)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(biāo)準(zhǔn)確定值的誤差；其二為由于流量變化ε值將隨之波動(dòng)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(dāng)△P/P≤0.04時(shí)，ε的誤差可忽略不計(jì)。

3.2 實(shí)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因

1）d20、D20誤差產(chǎn)生的原因[1]

對(duì)于δd/d及δD/D的數(shù)據(jù)，應(yīng)是一種在嚴(yán)格的檢定條件下（人員、設(shè)備、方法、環(huán)境等符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），認(rèn)真按照有關(guān)檢定規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)新制造的或使用中的孔板及測(cè)量管進(jìn)行檢定時(shí)所允許的測(cè)量不確定度，即δd20/d20≤±0.07%、δD20/D20≤±0.40%（下標(biāo)20表示檢定狀態(tài)）。但由于要考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(duì)d20及D20進(jìn)行實(shí)際工況條件下的溫度修正；

（2）現(xiàn)場(chǎng)配備的長(zhǎng)度計(jì)量器具（如游標(biāo)卡尺）往往不能按期送檢，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量人員也未進(jìn)行長(zhǎng)度計(jì)量測(cè)試方面的專業(yè)培訓(xùn)；

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

（4）由于測(cè)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(gè)截面進(jìn)行內(nèi)徑測(cè)量，并將平均值刻在銘牌上供用戶參考，一般的標(biāo)準(zhǔn)都要求至少測(cè)量4個(gè)截面。

這些因素導(dǎo)致了實(shí)際工況條件下孔板孔徑及測(cè)量管內(nèi)徑的測(cè)量不確定度往往會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)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(gè)變量，都屬于二次儀表測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些參數(shù)的產(chǎn)生和測(cè)量過程，誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

對(duì)于差壓和壓力信號(hào)，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(shí)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(qiáng)制造及安裝的規(guī)范化工作才能達(dá)到目的。對(duì)于溫度數(shù)據(jù)而言，是否能夠真實(shí)地反映被測(cè)流體內(nèi)部的溫度是數(shù)據(jù)真實(shí)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(cè)量與傳遞

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

3）相對(duì)密度，天然氣壓縮因子誤差產(chǎn)生的原因

相對(duì)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(jì)算，并通過物性參數(shù)間接影響流量計(jì)算結(jié)果。天然氣物性參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)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(cè)量結(jié)果。取樣技術(shù)由三個(gè)因素組成，即取樣點(diǎn)分布、取樣方式和取樣周期。

（1）取樣點(diǎn)分布

取樣點(diǎn)的分布決定了所取的天然氣樣品是否有代表性。

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

（2）取樣方式

取樣方式有邊連續(xù)取樣、累積取樣和單點(diǎn)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(jì)量點(diǎn)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(diǎn)取樣是最簡(jiǎn)單的取樣方式，在國(guó)內(nèi)被廣泛地應(yīng)用。

（3）取樣周期

對(duì)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(diǎn)取樣方式中，國(guó)外大多是一天取一次，國(guó)內(nèi)一般是一個(gè)月或一個(gè)季度取一次。

4 實(shí)際應(yīng)用中的控制措施

1）節(jié)流裝置設(shè)計(jì)，制造和安裝規(guī)范化；

2）加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的檢查維護(hù)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(cè)可見的異常現(xiàn)象當(dāng)孔板大于或等于MM時(shí)，目測(cè)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(gè)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(gè)部位

（3）二次儀表

在保證儀表選型和精度等級(jí)正確的基礎(chǔ)上，定期對(duì)儀表進(jìn)行維護(hù)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(diǎn)。

（4）流量計(jì)算機(jī)

主要是對(duì)流量計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置及計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)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(jì)算準(zhǔn)確度的檢查。

可通過一些簡(jiǎn)便實(shí)用的流量計(jì)算軟件在相同條件下的計(jì)算值與流量計(jì)算機(jī)的計(jì)量值進(jìn)行對(duì)比，分別計(jì)算機(jī)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(jì)、安裝、使用等方面都嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用孔板流量計(jì)計(jì)量天然氣的準(zhǔn)確度將大大提高。

[1]羅明強(qiáng)，張金鵬.對(duì)天然氣流量測(cè)量不確定度問題的認(rèn)識(shí).

[2]陳朝書.天然氣計(jì)量中存在的問題及對(duì)策.油氣儲(chǔ)運(yùn).

[3]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143—2004.用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量.

TE642

A

.1674-6708（2011）52-0080-03

辛立峰，工作單位：.中國(guó)石油管道中原輸油氣分公司，研究方向：天然氣長(zhǎng)輸管道