摘要:孔板流量計(jì)是一種廣泛應(yīng)用于石化工業(yè)的流量測(cè)量?jī)x表。目前天然氣計(jì)量已制定了許多相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程等,但尚未形成完整體系,與國外相比尚有較大差距。本文主要探討了天然氣孔板流量計(jì)測(cè)量中正確率要求,分析了影響測(cè)量不確定度的幾種因素,提出引起流量測(cè)量誤差的各種原因,這對(duì)于孔板流量計(jì)的使用具有一定的指導(dǎo)作用。
0引言
在眾多的能源中，天然氣作為一種清潔的燃料和優(yōu)質(zhì)原料,不但提高了人們的生活質(zhì)量，而且還保護(hù)了我們賴以生存的環(huán)境�？装辶髁坑�(jì)作為主要的測(cè)量?jī)x表，在20世紀(jì)初使用于天然氣流量測(cè)量，目前已成為全世界主要的天然氣流量計(jì)。近幾年來天然氣流量計(jì)計(jì)量相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布實(shí)施，我國天然氣計(jì)量專業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)為《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》(SY/T6143-2004)"。
1.天然氣孔板流量計(jì)的組成
孔板流量計(jì)是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與差壓變送器配套組成的差壓式流量裝置，可測(cè)量氣體、蒸汽、液體及天然(的流量,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、供熱、供水等領(lǐng)域的過程控制和測(cè)量。如圖1所示。
2天然氣孔板流量計(jì)的工作原理
2.1測(cè)量原理
孔板流量計(jì)是以相似原理為根據(jù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時(shí)流量計(jì)。天然氣孔板流量計(jì)基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動(dòng)阻力件時(shí)產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系,通過測(cè)量差壓值求得流體流量”。
2.2流量方程
如圖2所示，根據(jù)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)，天然氣孔板流量計(jì)的流量方程為:
式中:Q為體積流量;β為直徑比，β=d/D;d為工作條件.下節(jié)流件的孔徑;D為工作條件下.上游管道內(nèi)徑;A。為節(jié)流件的開孔截面積;C為流出系數(shù);OP為節(jié)流裝置前后實(shí)際測(cè)得的差壓;p為節(jié)流裝置上游流體密度;e為可膨脹系數(shù)。
2.3流動(dòng)狀態(tài)的要求
孔板流量計(jì)的流出系數(shù)C是在特定的實(shí)驗(yàn)室參比條件下，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計(jì)算方法。因此，為了保證測(cè)量精度，對(duì)于氣流流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求:
2.3.1流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的、單相的，或者可認(rèn)為是單相的流體。
2.3.2流體流動(dòng)是穩(wěn)定流或隨時(shí)間變化不大的緩變流
2.3.3流體必須滿管流，流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)節(jié)流件時(shí)不發(fā)生相變。
2.3.4流體通過孔板節(jié)流裝置的流動(dòng)，必須保持孔板下游靜壓與孔板.上游靜壓之比不小于0.75，管道雷諾數(shù)Re≥5000(角接取壓)和管道雷諾數(shù)Re≥1260B2D(法蘭取壓)。
3天然氣孔板流量計(jì)不確定度分析
由于存在取壓方式(角接取壓、法蘭取壓)的影響;流量計(jì)算假設(shè)條件等因素的影響;孔板加工、安裝等技術(shù)要求。孔板流量計(jì)的使用和流量計(jì)算必須嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定，否則，其流量測(cè)量的不確定度無法計(jì)算或誤差較大。
根據(jù)天然氣孔板流量計(jì)的流量方程(公式1)可知，影響流量測(cè)量的精度主要由流出系數(shù)C、可膨脹系數(shù)、差壓和天然氣的物性。
3.1流出系數(shù)不確定度變化
流出系數(shù)C是為了補(bǔ)償任意兩點(diǎn)的摩擦影響所列人的一一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它與節(jié)流件的幾何形狀、取壓位置及雷諾數(shù)等有關(guān)，通常由試驗(yàn)確定。當(dāng)直管段長(zhǎng)度符合SY/T6143--2004的規(guī)定的節(jié)流前10D和節(jié)流后4D長(zhǎng)的測(cè)量管，圓度滿足不大于士0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則流出系數(shù)不確定度8clc只隨β值的不同而不同。此時(shí)，當(dāng)β≤0.6時(shí)，則δc/c=±0.6%;當(dāng)β>0.60時(shí),則δc/c=±β%。
3.2天然氣可膨脹系數(shù)不確定度變化
當(dāng)所測(cè)天然氣流經(jīng)孔板時(shí)，由于流速和壓力的改變而伴隨著密度的改變(氣體壓力從p1降為p2,因膨脹而使密度減小)，為適應(yīng)此種變化以修正因假設(shè)密度等于常量而對(duì)流量引起的偏差，因此必須加入一個(gè)系數(shù),這個(gè)系數(shù)被稱為可膨脹系數(shù)e。
對(duì)于天然氣而言，可膨脹性系數(shù)的不確定度為:δc/c=±4(△p/p1)%
它與孔板流量計(jì)實(shí)測(cè)差壓△p成正比，與靜壓p1成反比。目前在天然氣計(jì)量中差壓值-般在5000Pa之內(nèi)，靜壓在1-10MPa范圍內(nèi)，因此δc/c最小為±0.0002%，最大為±0.2%或更大。
3.3天然氣密度測(cè)量不確定度δρ/ρ
密度取值按測(cè)量方法的不同而異，其一為直接密度測(cè)量，由密度計(jì)直接決定其值;天然氣密度測(cè)量的不確定度δρ/ρ最小為±1.013%，最大為±1.571%或更大。
3.4差壓P的不確定度
標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143--2004中的流量實(shí)用公式在應(yīng)用能量方程導(dǎo)出過程中，規(guī)定測(cè)量管道水平(包括上、下游側(cè)的測(cè)量管)。因此，其上、下游取壓口的位置差為零，差壓Ap則是在孔板上、下游側(cè)所規(guī)定的取壓口位置上量得的靜壓之差。
式中:ξ△p為差壓計(jì)的精度等級(jí);△pk,為差壓計(jì)的量程;△pf為預(yù)定差壓測(cè)量值。
由此可見，當(dāng)所用差壓計(jì)的精度為0.5級(jí)，量程為0~ 600kpa,預(yù)設(shè)差壓測(cè)量值為300kpa時(shí)，對(duì)于天然氣孔板流量 計(jì)，置信概率為95%的測(cè)量總不確定度為: 天然氣流量測(cè)量的總不確定度，據(jù)SY/T6143-2004規(guī)定，實(shí)際上就是測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值與真值比較，置信概率為95%的正確度，其測(cè)量的總不確定度8Qn/Qn最小為±0.82%,最大為±4.52%或更大。
4孔板流量計(jì)使用中的測(cè)量誤差分析
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于孔板流量計(jì)如果使用不當(dāng),會(huì)造成很大的測(cè)量誤差，有時(shí)可達(dá)到20%左右。在流量計(jì)的使用中，如何減少其測(cè)量誤差，必須考慮流量的測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)形式，注意使用條件和測(cè)量對(duì)象的物理性質(zhì)是否與所選用的流量計(jì)性能相適應(yīng)。下面就其測(cè)量誤差進(jìn)行分析:
4.1流量計(jì)算方程描述流體是充滿圓管的、充分發(fā)展的定常流。若流動(dòng)狀態(tài)真實(shí)性無法確定,如果仍按照原有的儀表常數(shù)推算流量，將與實(shí)際流量存在誤差。
4.2天然氣以甲烷為主加上乙烷和其他少量的輕烴，真實(shí)相對(duì)密度小于或等于0.75。由于被測(cè)介質(zhì)實(shí)際特性的不確定因素，以及實(shí)際物性變化影響儀表正常工作等對(duì)流量測(cè)量的不確定度產(chǎn)生影響。
4.3孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配、安裝、檢驗(yàn)和使用必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部技術(shù)要求。由于各個(gè)裝置自身及環(huán)境條件因素引起的不確定因素。
4.3.1孔板安裝不正確
管道水平安裝，如果孔板開孔中心與管道中心線不同心;如果在安裝過程中存在引壓管堵塞及墊片等凸出物，則會(huì)造成孔板前后壓差測(cè)量不正確，從而造成測(cè)量誤差。
4.3.2孔板入口邊緣被磨損
在使用中，由于流體的磨蝕作用，使孔板的入口邊緣變鈍，被磨成圓形入口邊緣。結(jié)果是在相同的流量下，孔口收縮系數(shù)變大，造成差壓發(fā)生變化，造成測(cè)量誤差。
4.3.3孔板表面的結(jié)垢
長(zhǎng)期使用時(shí)，孔板表面結(jié)垢，使孔板的流通面積變小，從而造成差壓增大，使流量計(jì)測(cè)量值大于實(shí)際值，影響計(jì)量精度。
4.4差壓變送器零點(diǎn)漂移和量程設(shè)置不當(dāng)
由于時(shí)間較長(zhǎng)，變送器的零點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，這時(shí)差壓變送器的輸人和輸出信號(hào)發(fā)生變化。若不及時(shí)調(diào)整，會(huì)造成實(shí)測(cè)流量值偏低或偏高。
5結(jié)束語
客觀地講，在采用孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量時(shí)，對(duì)孔板流量計(jì)的一次裝置(孔板節(jié)流裝置)和二次儀表(差壓、靜壓、溫度、被測(cè)介質(zhì)物性等)的選擇、設(shè)計(jì)、安裝、使用嚴(yán)格按照SY/T6143-2004國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，加上不定期維護(hù)和檢查，才能保證天然氣孔板流量計(jì)的測(cè)量精度。
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