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            標準孔板流量計

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            淺談影響標準孔板流量計測量天然氣流量準確度的因素及應對措施

            作者: 來源: 發布時間:2020-01-10 15:43:02

                摘 要: 標準孔板流量計因其復雜的測量原理和對流體性能的嚴格要求及苛刻的安裝條件,使得測量結果的準確度受到較多的因素影響。本文簡要介紹了影響標準孔板流量計測量天然氣流量的相關因素,并提出針對這些因素的應對措施。

                標準孔板流量計是根據能量守恒和流動連續性方程,在流體通過節流裝置時流速增加靜壓降低,流體流速越大,在孔板前后產生的差壓也越大,通過測量差壓來測量通過孔板的流體的流量,見式( 1) :

             

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                式中: qvn—流體在標準參比條件下的體積流量; c—流出系數; ε—可膨脹性系數; β—直徑比; d—操作條件下孔板開孔直徑; ΔP—差壓; ρ1—流體在操作條件下上游取壓孔處密度; ρn—標準參比條件下的密度。

                標準孔板流量計具有技術成熟,生產安裝標準化,性能穩定等優點,廣泛用于石化和城鎮燃氣行業的天然氣測量。但由于其復雜的測量原理和苛刻的安裝條件及對流體性能的嚴格要求,存在較多影響其測量結果準確度的因素。本人結合多年來對標準孔板流量計的工藝設計、使用及維護經驗,簡要論述一下影響標準孔板流量計測量天然氣流量準確度的因素并提出應對措施。

                1 工藝設計上的影響因素
                1. 1 前端直管道不符合規范要求

             

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                在輸配站場中,由于受場地和工藝的流程的限制,不可避免的要在節流孔板前端設置三通、彎頭、閥門、等管件和輸配設備。標準孔板流量計測量天然氣的前提是流體為充分發展的紊流狀態的單相流,流速在管道內沿軸線均勻對稱分布。節流孔板前端的管件和輸配設備必將對天然氣形成阻流、轉向和流速分布的改變,為了獲得符合要求的流體,必須要使節流裝置前端和阻流件之間有足夠長的直管段。按照 GB /T21446 - 2008 5. 3 的規定,孔板與阻流件間的zui短長度應符合表 1 規定。

                由表 1 可知,除去在 β 取極小值的 0. 2 的情況外,對于其他的 β 值前端直管段普遍在 20D 以上。對于這樣的直管段長度要求,在工藝設計上顯然是難以完全滿足規范要求的。因此在前端直管長度上不是所有標準孔板流量計都能夠滿足規范要求的。這是影響標準孔板流量計測量準確度一大因素。

                1. 2 采用了較大的計量管或較大的孔徑比
                在進行流量計設計時,一般會上浮一定的裕量,采用較大的計量管。但在實際的供氣中,用氣量往往達不到設計流量,造成在運行時天然氣流體的管徑雷諾數較小。根據流體力學,天然氣管徑雷諾數越小其質子和其中的微粒擴散越弱,這既不利于天然氣流體在計量管內形成流速分布均勻的紊流,又會造成固體微粒凝聚形成兩相流。同時雷諾數越小流體抵御管道內壁粗糙度影響的能力越弱。因此計量管選擇過大將會對測量結果的準確度產生不利影響。從表 1 可知在同一阻流件下,孔徑比越大要求前端直管段越長,這就意味如果采用的 β 值越大,越難以滿足規范的技術要求。因此在設計中采用大管徑計量管或是大孔徑比,都將對測量結果的準確度產生不利影響。

                1. 3 采用先調壓后計量的工藝
                該方式可在標準孔板處可以得到較穩定的靜壓,但是調壓閥卻會嚴重影響天然氣的流態。目前調壓閥體內的天然氣通道絕大部分為 U 型通道,且閥口開度只有 10 來毫米甚至幾毫米,天然氣在經過調壓閥后,流態和流速都變得極為不穩定,并且調壓閥閥口開度頻繁的調節還會引發天然氣脈動流。天然氣的流態根本不能滿足標準孔板流量計測量天然氣的關于流體流態的規定,這必將對測量結果的準確度產生較大的影響。這種影響的大小根本沒法從理論上評估。

                1. 4 流動調整器與孔板間距離不符合要求
                流動調整器可以減小孔板前端直管段的長度,在安裝位置上對于不同的前端阻流件是有嚴格要求的。在工藝設計中,往往沒有考慮前端阻流器的類型和阻流件與孔板間的距離,而將流動調整器與孔板間的距離都簡化為 13 倍計量管內徑,或者直接將流動調整器與上游計量管連接。按照 GB /T21446 - 2008 相對于不同的阻流件及其與孔板間的距離,流動調整器與孔板間的距離應符合表 2 規定。

             

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                表 2 的數據時在通過大量實驗的基礎上得出的數據,是標準孔板流量計準確測量的前提。如不嚴格執行表 2 的技術要求,將會對測量結果產生附加不確定度,其影響程度只有通過在線校準評估。

                1. 5 計量系統組件的影響
                標準孔板流量計要實現對天然氣流量的測量,除了節流裝置外還需要配備二次儀表、流量計算機以及信號處理與采集設備,其計量系統組成如圖 1。

             

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                從圖 1 可以看出,節流裝置只是產生差壓,要測量天然氣的流量必須依靠壓力、差壓變送器、溫度變送器、密度傳感器等二次儀表測量相應的參數并經信號隔離、采集和轉換后輸入流量計算機進行計算。因此二次儀表、信號隔離器的精度等級和性能以及流量計算機的流量計算方法,都會對天然氣的流量測量結果直接的影響。在進行計量系統設計時由于對二次儀表及信號隔離器的精度等級選擇過低,zui終導致天然氣的測量準確度超出規定的范圍。根據GB /T18603 - 2014 的規定在不同測量等級的計量系統中二次儀表的精度等級應符合表 3 要求。

             

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                另外流量計算機的計算模型、編程方法、數據采集周期、累計算法也會對zui終的測量結果產生影響。

                2 安裝上的影響因素
                2. 1 節流裝置及前后直管段安裝影響因素
                標準孔板流量計的測量公式中的流出系數 c 是在嚴格的試驗條件下得出的,現場的安裝必須嚴格按照 GB /T21446 - 2008 執行,才能確保流出系數 c不發生變化。標準孔板流量計的調整器、計量管、節流裝置等都通過法蘭連接,在安裝是容易出現各個部件不同心,導致孔板中心和計量管軸線不在同一直線上或孔板端面與軸線不垂直。GB /T21446 - 2008 要求孔板與軸線傾斜度不得超過 1°,如果超過允許范圍會使測量結果偏小。通過現場試驗當孔板傾斜度超過 1°時,測量誤差隨 β 的增大而增大,zui大可達 - 3. 5% 。

                2. 2 二次儀表安裝影響因素
                (1) 壓力、差壓變送器的導壓管彎管半徑過小,管道坡度不夠,會造成壓力、差壓波動失真。鉑電阻安裝方向不對或插入深度不符合要求,會造成溫度測量誤差。這些會導致因壓力、差壓、溫度測量誤差而影響天然氣測量結果的準確度。

                (2) 在標準孔板流量計計量系統中,現場變送
                器與信號隔離器之間都采用屏蔽電纜連接。屏蔽層應在控制端與工作接地連接,現場端浮空。一些計量系統錯誤的采用兩端都與工作接地連接,或直接將屏蔽層與防雷接地連接。這些錯誤連接不但起不到防電磁干擾的作用,反而會在屏蔽層的兩端形成電勢差,引起變送器測量信號的傳輸誤差。

                3 使用維護的影響因素
                (1) 天然氣中管道中積聚液態水或是在工藝中使用壓縮機加壓,都會引發天然氣流體脈動流。脈動流會引起壓力和差壓的呈周期性的突變,使壓力、差壓測量不準確。在運行中難免會在孔板、計量管、導壓管內沉積粉塵和積液。由于天然氣的連續沖蝕,計量管內壁、孔板的粗糙度增大。這些因素都會導致測量結果偏差。

                (2) 在使用中注重對二次儀表的校驗,忽視了對節流裝置、孔板的檢查和信號隔離器的校驗。計量系統作為一個整體,其中任何一個環節出現誤差都會導致天然氣的測量誤差。

                (3) 目前多數標準孔板流量計計量系統采用離線氣質分析,一個月或一個季度進行一次采樣分析,并將分析結果輸入流量計算機用于流量計算。而現場天然氣其組分是在不斷變化的,這種離線分析的方式必然會對測量結果產生影響。

                4 應對措施
                4. 1 在設計上簡化工藝流程,保證前端直管段的長度,流動調整器要嚴格按規定的位置設計
                在滿足流量的情況下采用小計量管和較小的 β 值,以犧牲一定的壓力來確保前端直管段長度和天然氣流態符合規范要求。嚴格執行先計量后調壓的流程,避免計量受調壓的影響。計量儀表應由計量工程師根據流量、壓力等參數選擇,使其精度等級、量程和性能滿足測量要求。

                4. 2 安裝是確保標準孔板流量計測量準確的重要保證
                安裝時重點控制孔板、計量管的同心度。用于與計量管連接的管道要嚴格檢查內壁粗糙度和內徑是否符合要求。加強二次儀表安裝、布線控制,避免二次儀表引入誤差的影響因素。

                4. 3 對天然氣進行除塵、脫水處理,減少粉塵、液態水對測量結果的影響
                在工藝上設置進站緩沖設備,消除流體的脈動。定期對孔板、節流裝置、二次儀表進行檢查維護,根據流量適時調整孔板孔徑,根據計量管、孔板的粗糙度,對流出系數進行修正。定期校驗時既要對二次儀表、隔離器進行單獨校驗,又要對整個計量系統進行聯校,以確保測量結果的準確。縮短氣質采樣分析周期,盡量減少因氣質參數引起的測量誤差。對于大流量及重要測量點應進行周期性的在線校準,檢查計量系統是否符合技術要求,實際不確定度超出技術要求時應進行在線校準系數修正。

                5 結束語
                隨著高精度二次儀表的應用,因二次儀表測量誤差造成的影響越來越小,流量計算機的應用,使流量計算變得快捷準確,避免了人工計算流量的誤差。標準孔板流量計測量的先決條件是流體為充分發展的紊流狀態的單相流,流速在管道內沿軸線均勻對稱分布。其流出系數也是假定流體雷諾數大于106,且孔板前端有很長的直管段的試驗條件下得出的。由此可見天然氣的流態、管徑雷諾數以及前端直管段長度對測量結果的準確度起至關重要的作用,在實踐中應重點考慮這三個方面的要求。

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