摘要:闡述了孔板流量計的構成及其特點。詳盡分析了孔板流量計在計量中存在的問題，闡明了產(chǎn)生這些問題的原因。提出了解決天然氣能源計量的方案和措施。
流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強物料管理、能源管理，進行物資交接、財務結算、經(jīng)濟核算、效益分析與評價及至決策的重要依據(jù);也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講:計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益�，F(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度。國際上用于天然氣流量測量的儀器儀表，使用經(jīng)驗最豐富，標準化程度最高的是同心直角銳孔板流量計，常稱標準孔板流量計，簡稱孔板流量計。孔板流量計是一種典型的節(jié)流差壓式流量計。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，目前在我國天然氣貿(mào)易交接計量中，孔板流量計占90%以上�？装辶髁坑嬎缘玫饺绱说膹V泛的應用，主要是因為它具有以下兩個非常突出的特點:①結構簡單、安裝方便、工作可靠、成本低，又具有一定精度。能滿足工程測量、貿(mào)易結算的需要;②有很長的使用歷史,有豐富的、可靠的實驗數(shù)據(jù)，設計加工已經(jīng)標準化。只要按標準設計加工的孔板流量計,不需要進行實際標定，也能在已知的不確定度范圍內(nèi)進行流量測量。
然而孔板流量計在實際計量運行中存在著諸多影響計量誤差的因素。
1.差壓式流量計的測量原理
差壓式流量計的測量以能量守恒定律和流體流動連續(xù)性方程為基礎，即在充滿流體的管道中固定放置一個流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，則管內(nèi)流束在通過該節(jié)流件時就會造成局部收縮(圖1)。在收縮處，流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后將產(chǎn)生一定的壓力差，而且隨流體流速增加，靜壓力差就越大，而對于一-定形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測壓位置和前后直管段,在一定的流體參數(shù)情況下，節(jié)流件前后的差壓△P與流量Qv之間有-定的函數(shù)關系，故可通過測量節(jié)流件前后的差壓來測量流體流過節(jié)流裝置時的流量大小。即:
Qv=K×(△PxP)1/2
1.1孔板流量計的組成
孔板流量計由能將流體流量轉(zhuǎn)換成差壓信號的節(jié)流裝置及測量溫度、壓力、差壓變送器和進行積算的流量計組成(圖2)。安裝在流通管道中的節(jié)流裝置也稱“-次裝置”，它包括孔板、取壓裝置和前后直管段。溫度傳感器、壓力變送器、差壓變送器和流量計稱為“二次儀表”。
“一次儀表”即節(jié)流裝置將流體的差壓信號實時地反映給差壓變送器，差壓變送器將此信號轉(zhuǎn)換成標準直流電流4-20mA信號;而壓力變送器將流體通過節(jié)流裝置的壓力信號也轉(zhuǎn)換成標準直流電流4-20mA信號;同時，溫度傳感器將通過節(jié)流裝置的流體的溫度轉(zhuǎn)換成電阻信號。流量積算儀將前三者信號經(jīng)過乘、除、開方等流量運算，最后進行累積顯示出來。
安全柵的作用:是自動化儀表過程檢測、控制中的-一個單元，它通過直流-直流轉(zhuǎn)換電路為現(xiàn)場安裝的變送器提供-個隔離化電源，同時又將變送器4--20mA直流信號轉(zhuǎn)換成與之隔離的直流信號，實現(xiàn)變送器與電源之間以及變送器與受信儀表之間的雙向隔離。從而使電氣火花竄人不到現(xiàn)場，達到安全隔離的作用。
1.2標準節(jié)流裝置組成
標準節(jié)流裝置也稱“一次裝置”(圖3),它包括孔板(圖4)、取壓裝置、前后直管段，導壓管。
2差壓式流量計的誤差來源
孔板流量計測量的精度除了取決于孔板節(jié)流裝置按標準加工制造和檢驗裝配外，還取決于合理的設計、儀器儀表選型和安裝、運行情況。如流量的波動性范圍、頻繁程度等。由于流量計實際運行工況與設計條件有許多變化，帶來的誤差也是很大的。對孔板流量計的流量測量進行誤差分析和估算，成為工業(yè)計量和能源結算的一個重要問題。造成孔板流量計計量誤差的原因可分為以下幾個方面:①孔板本身的設計計算誤差(原理上);②孔板的制造誤差;③安裝誤差;④工藝狀態(tài)變化造成的誤差;⑤二次儀表的性能及系統(tǒng)運行引起的誤差;⑥其它因素引起的誤差。
2.1建立流公式數(shù)學模型帶來的誤差
嚴格來講,孔板的設計誤差是指理論上孔板的設計誤差，因為流量計算公式是根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程推導出來的，在節(jié)流裝置的加工計算過程中，工作壓力、工作溫度、管道內(nèi)徑、大氣壓力、絕對壓力、絕對溫度、流體密度、流體粘度、等熵指數(shù)、壓縮系數(shù)、最大差壓等都不是精確值，從公式來講就存在一定的誤差。
2.2孔板的加工工藝誤差
孔板的加工誤差包含孔板加工的公差，一般為0.2%。但實際上很多孔板制造廠家由于加工工藝原因，所加工孔板的表面光潔度、人口邊緣，僅目測就明顯達不到設計要求;對于加工尺寸，一般不進行測量，這樣加工出來的孔板精度自然就達不到設計要求。如圖4,影響孔板誤差的設計參數(shù)為:①孔板入口直角銳利度;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; 節(jié)流件不同軸度等;這些誤差均來自于孔板制造廠家。
2.3孔板流量計的安裝誤差
2.3.1直管段造成的誤差
由于孔板安裝要求嚴格，上下游需要足夠長度的直管段。一般的工藝條件較難滿足。通常所用的前10D后5D的直管段安裝方式，在平面只有一個支管或-一個90°彎頭的情況下才滿足，在有空間彎頭、漸擴管、漸縮管、溫度計管、球閥的情況下，需根據(jù)要求保證上游、下游最小直管段才能減少安裝誤差。否則附加相對誤差達5%~10%，甚至更高。通常上下游直管段最低要求由廠家提供。
2.3.2孔板在管道上安裝時的誤差
孔板安裝時，當孔板與管道偏心率為0.015D時，誤差為-1%~+1%;法蘭與環(huán)室或孔板之間的墊片內(nèi)孔不得太小，否則嚴重影響上下環(huán)室的密封性，差壓值完全失真，造成的誤差可達-60%~十60%。對于安裝時在靠近節(jié)流件前面管道的突人管道的環(huán)狀焊縫，有如一個節(jié)流圓環(huán)，它對測量誤差的影響與突人高度、形狀、粗糙度等有關，沒有實測標準是難以確定的。.
2.3.3取壓口及導壓管造成的誤差
取壓口的焊接有毛刺或有堵塞現(xiàn)象會引起誤差。特別在流速較高處，將引起更大的誤差。取壓口的幾何形狀決定了對壓力測量的影響，其誤差為動壓的百分數(shù)。另外，對于流體為液體時，取壓管應自節(jié)流裝置截面的水平中心兩端水平引出或自水平中心線兩端向下小于45引出;當流體為氣體時，導壓管應從節(jié)流裝置截面的上半部引出。否則由于導壓管積水、堵塞,而導致附加誤差的加大。再者，引壓管安裝不能過長(--般不超過50米)，否則，差壓信號不能及時迅速地傳遞給變送器，而造成延遲響應誤差。
2.4工藝狀態(tài)變化引起的參數(shù)誤差
由流體測量理論可知，流體與節(jié)流裝置檢測的差壓信號的關系為:
Qv=0.01252ead2(Op/p1)1/2
由公式可知，影響流量測量精度的參數(shù)為:流量系數(shù)a,流束膨脹系數(shù)e,節(jié)流件內(nèi)徑d,流體密度ρ1。
影響這些參數(shù)變化的工藝狀態(tài)主要包括:由于管道污垢引起的管徑變化;孔板端面變化;流體工藝條件變化即壓力、溫度引起的流體密度的變化、膨脹系數(shù)的變化、流出系數(shù)的變化。
2.4.1管道變化對工藝參數(shù)的影響
管道變化包括管徑變化和孔板端面變化及底部的污垢堆積。一般的孔板流量參數(shù)是在標準情況下的設計參數(shù)，也是標準狀態(tài)下的參數(shù)，為標準管。實際上，由于工業(yè)介質(zhì)的影響，經(jīng)過一段時間，管道內(nèi)壁就會有一-層結垢，一般清洗孔板也僅僅是清洗孔板本身，生產(chǎn)條件不考慮工藝管道的清洗，管徑誤差不能不予以考慮。污垢厚度視情況而異，一般有3~8mm厚。此時計量誤差可達2%~5%。并且誤差隨污垢的厚度增加而加大。
2.4.2工藝參數(shù)變化帶來的誤差
工藝參數(shù)的主要變化為: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;⑦流量系數(shù)的變化。
2.4.2.1雷諾數(shù)對流量系數(shù)的影響
雷諾數(shù)是表征流體慣性力與粘性力之比的無量綱參數(shù)。流量系數(shù)的變化是影響測量精度最重要最直接的原因。影響流量系數(shù)的因素很多。設計上給出的流量系數(shù)是指在標準設計條件下，開孔比和雷諾數(shù)為固定值時計算出的理論值。在流體狀態(tài)、流量，管道、開孔直徑等基本保持不變的情況下，流量系數(shù)一般不影響測量。但工藝上由于設計原因,流體運行有時低于設計的最小雷諾數(shù)，此時流量系數(shù)的誤差變化很大，此時應從工藝上，對照設計條件分析，應采取更換孔板或縮小管徑的措施。否則必然加大計量誤差。
2.4.2.2管道對流量系數(shù)的影響
管道變化除了，上面所說的直接影響流量外，對流量系數(shù)的影響主要表現(xiàn)為β值的變化。由于管道污垢堆積，造成管徑比理論值縮小，β值增大,此時通過流量系數(shù)對流量的影響為正誤差，反映為隨β值增大，誤差增大;孔板上游管壁粗糙度增加時，速度分布將變陡，流量系數(shù)亦將增加，誤差增大。實驗證明，在節(jié)流件上游側(cè)附近-段管道清除污物可以顯著提高流量系數(shù)的測量精度。尤其對于大口徑管道，清洗管段可以顯著縮小誤差。
2.4.2.3孔板對流量系數(shù)的影響
孔板由不銹鋼材料1CrIl8Ni9Ti加工而成。開孔直徑除了受溫度影響外，一般不變。但長期使用后,孔板表面的粗糙度將增大，引起的誤差約為2%~3%;因制造質(zhì)量差，安裝時產(chǎn)生應力或大差壓造成孔板撓曲，測量誤差隨撓曲尺寸的增大而增大。
2.4.2.4流體溫度、壓力變化對流量的影響
根據(jù)公式:
式中:ρ1為工況密度;ρ0為標準狀況密度;Z為壓縮系數(shù);P1為工況壓力;P0為標準狀況壓力;T1為工況下的絕對溫度;T0為標準狀況下的絕對溫度。
流體當溫度或壓力發(fā)生變化時，必然引起密度的變化，特別是流體為氣體時，更是如此。從而導致流量的變化。由以上公式，也充分說明了若不對壓力、溫度進行時時補償，就一定帶來很大的計量誤差。
2.5二次儀表的性能及環(huán)境影響造成的誤差
二次儀表包括壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器、流量積算儀。它們的性能好壞、精度的高低就直接影響整個系統(tǒng)的精度，加上系統(tǒng)長期不間斷運行，受溫度、濕度、粉塵、噪聲、電網(wǎng)等環(huán)境的影響，其各部分儀表的穩(wěn)定性、精度也即日趨下降，甚至損壞，也就必然導致計量誤差的加大。
2.6其它因素引起的誤差
操作人員的檢定、維護過程中由于不按技術參數(shù)操作或誤操作而引起的誤差，標準設備的誤差,人為的停電、開關閥門等引起的誤差。
3公司目前天然氣計量的現(xiàn)狀和存在的問題
目前用孔板流量計進行天然氣的計量，就現(xiàn)狀分析，存在著以下幾個方面的問題:
①計量裝置即節(jié)流裝置安裝沒有完全按照要求進行;上下游直管段不符合設計要求、節(jié)流裝置前后管道不在一條軸線上、前后法蘭與節(jié)流裝置連接時所加的密封墊圈存在凹凸現(xiàn)象、引壓管安裝過長或不規(guī)范、引壓管或節(jié)流裝置存在漏氣。
②有的點位均未增設溫度補償。從本地區(qū)來說，最冷與最熱之溫差還是相當大的，接近30℃，也肯定對計量產(chǎn)生很大影響。一般來講，溫度每變:化10C，流量計量誤差就有2%。
③二次計量儀表還屬傳統(tǒng)式組合儀表，分立元件多、單元組合多、系統(tǒng)整體性能滯后、計量精度低、穩(wěn)定度低(損壞率很高)。
④-二次儀表維護難度大。由于采用環(huán)室取壓，法蘭連接，對節(jié)流件的定期清洗測試，再次安裝時就難以保證要求;管道的清洗工作根本不能進行。二次儀表必須定期對其校驗，以確保其整體計量精度，對其校驗也是一項非常煩瑣的工作，必須具備相當豐富的實踐經(jīng)驗與動手能力。另外，還要不定期地對節(jié)流裝置前后、引壓管、閥門等部位進行檢漏，以確保壓力信號的真實性。
⑤計量系統(tǒng)由于不具備查閱、通訊等智能功能。計量數(shù)據(jù)均由人工現(xiàn)場采集、傳送，然后進行人工統(tǒng)計、數(shù)據(jù)處理、報表等一系列的工作。所以不能時時反應能耗情況，從而缺乏計量的真實性、實效性。
⑥能源計量管理工作落后。目前計量儀表種類繁多，選型不統(tǒng)一、安裝不規(guī)范(指選型單位、施工單位、安裝地點、安裝方式方法等)，特別是用戶提供的工藝參數(shù)不準確即工藝設備能耗及其定量的最大流量、最小流量、常用流量、工作壓力、工作溫度、介質(zhì)組分、管徑等;計量系統(tǒng)資產(chǎn)劃分不明，資金投入少，造成日常維護、鑒定、修理延遲，而致使部分計量儀表運行難以保障，導致計量誤差加大。
⑦人們的能源計量意識還有待提高。對計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益,缺乏足夠認識。
4解決差壓式流量計誤差的途徑
①從設計上把好關。務必做到根據(jù)用戶用能大小、工藝條件參數(shù)等進行設計、選型、確立安裝地點。
②一次節(jié)流裝置即孔板盡量采用孔板閥安裝，以消除同心度、密封性等裝配的影響。從而有利于滿足裝配要求，更給維護工作帶來極大的方便。見附圖
③由于節(jié)流裝置對前后管道安裝要求非常嚴格，因此上下游所需的直管段必須與閥體配套，并滿足理論要求。確保節(jié)流裝置與前后管道安裝在一條軸線上，保證孔板與管道同軸、同心。
④差壓、壓力變送器的安裝位置高于節(jié)流裝置;盡量縮短引壓管長度;在最低處增設排污閥。確保差壓、壓力信號的及時性、真實性。
⑤增加溫度補償裝置，減少因溫差變化使流體工藝參數(shù)變化所引起的誤差。
⑥掌握用戶工藝設備運行情況，及時調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)或更換相應孔板，以滿足工藝參數(shù)變化帶來的計量誤差。
⑦為信息化發(fā)展所需，采用集成度高，智能化，可靠性、穩(wěn)定性高的二次儀表。減少由于人工現(xiàn)場采集、傳送，統(tǒng)計,數(shù)據(jù)處理，報表等出現(xiàn)的諸多問題。降低維護人員的工作強度，提高工作效率。
⑧加強能源計量人員的工作責任心，做好系統(tǒng)的檢修、維護、檢定保養(yǎng)工作，延長其使用壽命，減小計量誤差。
⑨實行規(guī)范化，標準化、高規(guī)格化的能源計量管理。不斷引進、消化、吸收天然氣計量新技術，加強技術培訓，借鑒國外經(jīng)驗，盡快建立一支理論技術水平高，安裝、維護能力強的能源計量隊伍。
5結束語
流量計量既是天然氣供需雙方貿(mào)易結算的依據(jù)，又是生產(chǎn)部門用氣效率的技術指標。在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中流量計量是一項日常性的重要的技術基礎工作。天然氣的準確計量不但能公平的進行貿(mào)易結算，而且能改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，確保安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益和社會效益�？装辶髁坑嬘捎谒姆奖愫蛯嵱�，在流量測量中有著廣泛的應用。對于它在計量中產(chǎn)生的誤差，還應根據(jù)各種情況，具體分析，減少計量誤差，使之更好地為生產(chǎn)服務。
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