摘要：文章結(jié)合孔板流量計(jì)的基本原理及主要特性，闡述孔板流量計(jì)在天然氣計(jì)量上的應(yīng)用情況，總結(jié)問題，探討解決方法，為今后在設(shè)計(jì)中使用孔板流量計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。
0引言
孔板流量計(jì)是目前世界上應(yīng)用范圍最為廣泛的流量計(jì)量儀表之一。所有單相流體都可以測(cè)量。由于應(yīng)用歷史悠久，在試驗(yàn)研究中積累的豐富資料和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用干標(biāo)的方法即可保證流量計(jì)計(jì)量精度，這在所有流量儀表中是唯一的。多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)流對(duì)比證明，孔板流量計(jì)工作非常穩(wěn)定可靠。
孔板流量計(jì)在天然氣計(jì)量方面應(yīng)用廣泛，目前全國許多油氣田、長輸管道的天然氣交接計(jì)量都采用孔板流量計(jì)完成，到現(xiàn)在已經(jīng)形成了許多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，值得總結(jié)探討。
1孔板流量計(jì)類型
目前廣泛使用的孔板一次裝置分為兩種，一種是簡易孔板截流裝置，一種是高級(jí)孔板閥。
簡易孔板截流裝置：無孔板升降機(jī)構(gòu)，必須停止介質(zhì)輸送才能完成孔板檢查及更換，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低。
高級(jí)孔板閥：精度比簡易孔板截流裝置高，檢查、更換孔板、維修時(shí)可以不停止生產(chǎn)，在線進(jìn)行，由于具有孔板升降機(jī)構(gòu)，能夠很快在線完成孔板檢查及更換。操作靈活方便。
2工作原理
流體在流動(dòng)過程中，在一定條件下，流體的動(dòng)能和靜壓能（壓力能）可以互相轉(zhuǎn)換，并可以利用這種關(guān)系來測(cè)量流體的流量1。
介質(zhì)流經(jīng)管道中孔板所在的截面時(shí)，由于流通面積突然縮小，促使流束產(chǎn)生局部收縮，流速加快，靜壓力降低，因而在孔板前后出現(xiàn)壓力差（簡稱差壓）�？梢酝ㄟ^測(cè)量此差壓的大小按一定的函數(shù)關(guān)系來計(jì)算出流量值。根據(jù)能量守恒定律及流體連續(xù)性原理，節(jié)流裝置的流量方程可以寫成：
式中，M為質(zhì)量流量，kg/s；Q為體積流量，m3/s；ɑ為流量系數(shù)；?為流量膨脹系數(shù)；F0為節(jié)流裝置開孔截面積，m2；ρ1為流體流經(jīng)節(jié)流元件前的密度，kg/m3；Δρ為節(jié)流元件前后壓力差，即Δρ＝ρ1－ρ2，Pa。
由式（1）和（2）可見，天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置（孔板）時(shí)的體積（質(zhì)量）流量與產(chǎn)生的差壓平方根成正比�；诖嗽�，孔板流量計(jì)通過測(cè)量孔板前后差壓，經(jīng)過計(jì)算換算出天然氣的流量。
3孔板流量計(jì)的選型和安裝
3.1孔板流量計(jì)選型
我們所說的孔板流量計(jì)實(shí)際上是許多儀表組成的一個(gè)整體，其選型包括高級(jí)孔板閥、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器的選型。
孔板流量計(jì)的選型最基本內(nèi)容即是通過計(jì)算獲得孔板片標(biāo)準(zhǔn)開口尺寸d20和孔板片前后差壓值。目前我們采用符合GB/T21446-2008標(biāo)準(zhǔn)2的計(jì)算軟件，其計(jì)算步驟簡述如下：
1）輔助計(jì)算：
首先設(shè)計(jì)人員根據(jù)管道介質(zhì)流量確定d20，即20℃條件下檢測(cè)的測(cè)量管直徑（孔板閥孔徑）。需要注意的是在滿足計(jì)量能力的條件下，應(yīng)選擇內(nèi)徑較小的測(cè)量管，提高差壓和孔徑比。
計(jì)算天然氣真實(shí)相對(duì)密度、密度、壓縮因子和超壓縮系數(shù)。
計(jì)算天然氣等熵指數(shù)、動(dòng)力粘度。
計(jì)算管徑雷諾數(shù)。
2）計(jì)算順序：
計(jì)算近似值
將β近似值帶入工時(shí)最終求出值（孔徑比）和d值（開孔直徑），進(jìn)而求出d20，即孔板在20℃條件下測(cè)量出的孔徑值。
需要注意的是，由于單片孔板量程比只能達(dá)到1：3，最多不超過1：4，因此對(duì)于流量范圍較大的工況，可將流量值分作2～3段，分別計(jì)算出口徑從大到小的2～3片孔板。
結(jié)合孔板閥孔徑、孔板開孔直徑和介質(zhì)工藝條件，就可以計(jì)算出ΔPmax和ΔPmin。
計(jì)算完畢后，結(jié)合工藝介質(zhì)條件即可選擇適合設(shè)計(jì)工況的高級(jí)孔板閥和孔板片，并可確定差壓檢測(cè)范圍，再根據(jù)工況確定壓力、溫度補(bǔ)償儀表的測(cè)量范圍，孔板閥的選型就完成了。
3.2孔板流量計(jì)的安裝
孔板流量計(jì)的安裝調(diào)校，必須嚴(yán)格按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446-2008進(jìn)行。
1）直管段的要求
速度式流量計(jì)都有前后直管段的安裝要求，用以起到被測(cè)流體穩(wěn)流的作用，孔板流量計(jì)的直管段由其前端安裝的阻流件形式和直徑比確定，在阻流件和值確定的情況下，可以通過查詢GB/T21446-2008來確定直管段長度，GB/T21446-2008規(guī)定了各種阻流件要求的最短直管段長度，但在孔板上游安裝整流器的情況下，可以縮短直管段的長度，因此該標(biāo)準(zhǔn)也推薦采用整流器。
根據(jù)規(guī)范的要求，目前我們的設(shè)計(jì)中均在孔板上游設(shè)置了流動(dòng)調(diào)整器，按照規(guī)范規(guī)定，在孔板上游13D（孔板閥內(nèi)徑）處安裝整流器，再保證30D的前直管段的情況下，可以滿足任何上游阻流件下的安裝，目前這樣的直管段配置已經(jīng)在設(shè)計(jì)中普遍采用，相對(duì)而言，后直管段的確定則比較簡單，僅僅由直徑比確定，直管段安裝如圖1所示。
值得注意的是，由于安裝在孔板上游和阻流件之間的直管段由兩種管段組成，一截是孔板配套提供，一截是工程上提供，兩種管段可能存在內(nèi)徑不完全一樣的情況，這樣會(huì)形成一個(gè)凸臺(tái)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，10D之外臺(tái)階h不超過2%的圓度要求即可。
管段必須是直的，當(dāng)與管道直線的偏移不超過其長度的0.4%時(shí)，即認(rèn)為管道是直的。通常只需目測(cè)檢驗(yàn)，上下游直管段對(duì)接引起的管道直線的偏差也應(yīng)不超過其長度的0.4%。
2）孔板安裝要求
孔板應(yīng)與節(jié)流裝置中的直管段對(duì)中。實(shí)驗(yàn)表明，孔板偏心引起的計(jì)量誤差一般在2%以內(nèi)，孔徑比值愈高，偏心率影響愈大，應(yīng)不用值高的孔板。
不能使孔板發(fā)生彎曲或變形，否則將導(dǎo)致流量測(cè)量誤差較大。在法蘭取壓的孔板上進(jìn)行測(cè)試，孔板彎曲產(chǎn)生的最大誤差約為3.5%。
3）變送器安裝要求
差壓和壓力引壓管段在不影響儀表安裝操作的前提下應(yīng)盡量短，這樣便于保溫和防凍，同時(shí)因具有一定斜度，使天然氣中產(chǎn)生的凝液不致在變送器側(cè)匯集3。
4）其他安裝要求
所有墊片不能用太厚的材料，最好不超過0.5mm，墊片不能突出管壁內(nèi)否則可能引起很大的測(cè)量誤差。
凡是調(diào)節(jié)流量用的閥門，應(yīng)裝在節(jié)流件后最小直管段長度以外。
節(jié)流裝置在工藝管道上的安裝，必須在管道清洗吹掃后進(jìn)行。
4存在問題及解決方法
4.1存在的問題
1）儀表本身計(jì)量精度問題
盡管孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展越來越完善，但由于設(shè)備、測(cè)量儀表本身的原因和自動(dòng)計(jì)量技術(shù)上的局限性，在提高計(jì)量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理上，仍存在一些問題。
測(cè)量的重復(fù)性、精確度在流量計(jì)中屬于中等水平，孔板流量計(jì)在流體較為干凈、直管段較長、流體處于紊流狀態(tài)（雷諾數(shù)大于4000）時(shí)，測(cè)量精度較高。但由于氣質(zhì)、計(jì)量直管段沒有達(dá)到要求，造成孔板入口銳角損傷；液體及固體污物堆積在孔板表面，使孔板表面粗糙度改變，大大增加測(cè)量誤差。
2）量程比問題
孔板流量計(jì)測(cè)量范圍太窄，這是此種流量計(jì)應(yīng)用上的最大不足，由于儀表信號(hào)（差壓）與流量為平方關(guān)系，一般測(cè)量范圍度僅3∶1～4∶1。
3）安裝問題
現(xiàn)場安裝條件要求較高，需要較長的直管段，在工程中有時(shí)難以滿足。
孔板閥與差壓、壓力檢測(cè)儀表之間引壓管線易產(chǎn)生泄漏、凍堵等問題。
4）使用中產(chǎn)生的問題
孔板彎曲變形，上游端面沉積臟物，孔板入口直角邊緣破損等問題都會(huì)影響到計(jì)量精度。
4.2解決天然氣計(jì)量問題的途徑
1）保證安裝質(zhì)量，勤于維護(hù)
可以看到，很多安裝和維護(hù)的問題往往影響到孔板流量計(jì)測(cè)量精度，因此安裝時(shí)必須嚴(yán)格按要求施工，消除安裝誤差。在使用過程中，操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護(hù)、保養(yǎng)工作，延長其使用壽命，對(duì)于實(shí)際使用中的壓力、溫度、流量等工況參數(shù)的變化，應(yīng)進(jìn)行及時(shí)修改以減小計(jì)量誤差。
2）采用多種辦法提高量程比
采用寬量程差壓變送器
為了提高量程比，可以考慮利用變送器寬量程的特點(diǎn)，運(yùn)用軟件的方式實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)調(diào)整（軟維護(hù)），從而擴(kuò)大量程比，提高測(cè)量的有效范圍，保證計(jì)量的準(zhǔn)確性
采用雙差壓變送器
為同一臺(tái)孔板閥配套兩臺(tái)差壓變送器，根據(jù)實(shí)際差壓的變化，切換差壓信號(hào)，從而擴(kuò)大量程比，提高測(cè)量的有效范圍，保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。
采用多路計(jì)量的方式
針對(duì)天然氣流量檢測(cè)范圍，設(shè)計(jì)兩套及以上不同口徑的孔板流量計(jì)，根據(jù)流量峰值和低谷的時(shí)間段，手動(dòng)或自動(dòng)切換介質(zhì)流路，實(shí)現(xiàn)寬量程的計(jì)量。
5結(jié)束語
孔板流量計(jì)已經(jīng)應(yīng)用多年，在總結(jié)問題的基礎(chǔ)上得出更加科學(xué)可靠的設(shè)計(jì)、使用方法十分重要。隨著流量計(jì)算機(jī)、組份分析儀的成功應(yīng)用，孔板流量計(jì)作為一種可靠、經(jīng)濟(jì)和方便耐用的儀表設(shè)備仍然可以適用未來能量交接的計(jì)量場合，潛力依舊可觀。
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