摘(zhāi)要: 孔闆(pǎn)流量計(ji) 是一種(zhong)廣泛應(yīng)用于石(shí)化工業(yè)的流量(liàng)測量儀(yí)表。目前(qian)天然氣(qì)計量已(yǐ)制定了(le)許多相(xiang)關的國(guó)家标準(zhun)，行業标(biāo)準和計(ji)量檢定(ding)規程等(děng),但尚未(wei)形成完(wan)整體系(xi),與國外(wai)相比尚(shàng)有較大(dà)差距。本(běn)文主要(yào)探讨了(le)天然氣(qi)孔闆 流(liu)量計 測(ce)量中正(zhèng)确率要(yao)求,分析(xi)了影響(xiǎng)測量不(bú)确定度(dù)的幾種(zhǒng)因素,提(tí)出引起(qi)流量測(cè)量誤差(chà)的各種(zhong)原因,這(zhe)對于孔(kǒng)闆流量(liang)計的使(shi)用具有(you)一定的(de)指導作(zuò)用。
0引言(yan)
　　在衆多(duō)的能源(yuán)中，天然(ran)氣作爲(wei)一種清(qing)潔的燃(ran)料和優(yōu)質原料(liao),不但提(tí)高了人(rén)們的生(shēng)活質量(liang)，而且還(hái)保護了(le)我們賴(lài)以生存(cun)的環境(jìng)。孔闆流(liú)量計作(zuò)爲主要(yao)的測量(liang)儀表，在(zai)20世紀初(chū)使用于(yú)天然氣(qi)流量測(cè)量，目前(qian)已成爲(wèi)全世界(jiè)主要的(de)天然氣(qi)流量計(jì)。近幾年(nián)來天然(rán)氣流量(liang)計計量(liang)相關技(jì)術标準(zhǔn)相繼頒(ban)布實施(shī)，我國天(tian)然氣計(ji)量專業(ye)性标準(zhun)爲《用标(biao)準孔闆(pan)流量計(jì)測量天(tian)然氣流(liú)量》(SY/T6143-2004)"。
1.天然(ran)氣孔闆(pǎn)流量計(jì)的組成(chéng)
 
　　孔闆流(liu)量計是(shi)将标準(zhun)孔闆與(yǔ) 差壓變(bian)送器 配(pèi)套組成(chéng)的差壓(yā)式流量(liàng)裝置，可(ke)測量氣(qi)體、蒸汽(qi)、液體及(ji)天然(的(de)流量,廣(guang)泛應用(yòng)于石油(you)、化工、冶(ye)金、電力(li)、供熱、供(gong)水等領(ling)域的過(guò)程控制(zhì)和測量(liàng)。如圖1所(suǒ)示。
2天然(ran)氣孔闆(pan)流量計(jì)的工作(zuo)原理
2.1測(cè)量原理(li)
　　孔闆流(liu)量計是(shì)以相似(sì)原理爲(wei)根據，以(yi)實驗數(shu)據爲基(jī)礎的瞬(shun)時流量(liàng)計。天然(rán)氣孔闆(pan)流量計(ji)基于流(liú)體在通(tōng)過設置(zhi)于流通(tōng)管道上(shàng)的流動(dòng)阻力件(jiàn)時産生(sheng)的壓力(lì)差與流(liu)體流量(liang)之間的(de)确定關(guan)系,通過(guo)測量差(chà)壓值求(qiú)得流體(tǐ)流量”。
2.2流(liú)量方程(chéng)
 
　　如圖2所(suo)示，根據(ju)流動連(lián)續性方(fāng)程(質量(liàng)守恒定(ding)律)和伯(bo)努利方(fang)程(能量(liang)守恒定(ding)律)，天然(rán)氣孔闆(pǎn)流量計(jì)的流量(liang)方程爲(wèi):
 
　　式中:Q爲(wei)體積流(liú)量;β爲直(zhí)徑比，β=d/D;d爲(wei)工作條(tiáo)件.下節(jiē)流件的(de)孔徑;D爲(wei)工作條(tiao)件下.上(shang)遊管道(dao)内徑;A。爲(wèi)節流件(jian)的開孔(kong)截面積(jī);C爲流出(chū)系數;OP爲(wei)節流裝(zhuang)置前後(hòu)實際測(cè)得的差(cha)壓;p爲節(jiē)流裝置(zhì)上遊流(liu)體密度(dù);e爲可膨(peng)脹系數(shù)。
2.3流動狀(zhuang)态的要(yao)求
　　孔闆(pan)流量計(ji)的流出(chū)系數C是(shi)在特定(dìng)的實驗(yàn)室參比(bǐ)條件下(xià)，通過大(dà)量的實(shi)驗數據(ju)推導得(de)出的計(ji)算方法(fa)。因此，爲(wei)了保證(zhèng)測量精(jing)度，對于(yu)氣流流(liú)動狀态(tài)應符合(he)如下四(si)條要求(qiú):
2.3.1流體必(bì)須是牛(niú)頓流體(tǐ)，在物理(lǐ)學和熱(re)力學上(shàng)是均勻(yun)的、單相(xiang)的，或者(zhe)可認爲(wèi)是單相(xiàng)的流體(ti)。
2.3.2流體流(liú)動是穩(wěn)定流或(huò)随時間(jiān)變化不(bu)大的緩(huǎn)變流
2.3.3流(liu)體必須(xū)滿管流(liu)，流經節(jie)流件前(qián)流動應(ying)達到充(chōng)分紊流(liú)，流束平(píng)行于管(guǎn)道軸線(xian)且無旋(xuan)轉，流經(jing)節流件(jiàn)時不發(fa)生相變(bian)。
2.3.4流體通(tong)過孔闆(pǎn)節流裝(zhuāng)置的流(liú)動，必須(xu)保持孔(kong)闆下遊(yóu)靜壓與(yǔ)孔闆.上(shàng)遊靜壓(ya)之比不(bu)小于0.75，管(guǎn)道雷諾(nuo)數Re≥5000(角接(jiē)取壓)和(hé)管道雷(lei)諾數Re≥1260B2D(法(fa)蘭取壓(yā))。
3天然氣(qì)孔闆流(liu)量計不(bu)确定度(du)分析
　　由(yóu)于存在(zài)取壓方(fang)式(角接(jiē)取壓、法(fǎ)蘭取壓(yā))的影響(xiǎng);流量計(ji)算假設(shè)條件等(deng)因素的(de)影響;孔(kong)闆加工(gōng)、安裝等(deng)技術要(yào)求。孔闆(pan)流量計(ji)的使用(yòng)和流量(liang)計算必(bì)須嚴格(gé)遵守規(guī)範規定(ding)，否則，其(qi)流量測(ce)量的不(bu)确定度(du)無法計(jì)算或誤(wù)差較大(da)。
　　根據天(tian)然氣孔(kong)闆流量(liang)計的流(liú)量方程(cheng)(公式1)可(ke)知，影響(xiǎng)流量測(ce)量的精(jīng)度主要(yao)由流出(chū)系數C、可(ke)膨脹系(xi)數、差壓(yā)和天然(rán)氣的物(wu)性。
3.1流出(chu)系數不(bu)确定度(dù)變化
　　流(liú)出系數(shù)C是爲了(le)補償任(ren)意兩點(dian)的摩擦(cā)影響所(suǒ)列人的(de)一一個(gè)經驗系(xi)數，它與(yu)節流件(jiàn)的幾何(hé)形狀、取(qu)壓位置(zhì)及雷諾(nuò)數等有(yǒu)關，通常(chang)由試驗(yan)确定。當(dang)直管段(duan)長度符(fú)合SY/T6143--2004的規(gui)定的節(jie)流前10D和(hé)節流後(hòu)4D長的測(cè)量管，圓(yuan)度滿足(zu)不大于(yu)士0.3%的标(biāo)準規定(ding)，則流出(chu)系數不(bu)确定度(du)8clc隻随β值(zhí)的不同(tong)而不同(tóng)。此時，當(dāng)β≤0.6時，則δc/c=±0.6%;當(dāng)β>0.60時,則δc/c=±β%。
3.2天(tiān)然氣可(ke)膨脹系(xì)數不确(que)定度變(bian)化
　　當所(suǒ)測天然(ran)氣流經(jīng)孔闆時(shí)，由于流(liu)速和壓(ya)力的改(gǎi)變而伴(bàn)随着密(mì)度的改(gǎi)變(氣體(tǐ)壓力從(cóng)p1降爲p2,因(yīn)膨脹而(ér)使密度(du)減小)，爲(wei)适應此(cǐ)種變化(hua)以修正(zheng)因假設(shè)密度等(děng)于常量(liang)而對流(liú)量引起(qi)的偏差(cha)，因此必(bì)須加入(ru)一個系(xi)數,這個(ge)系數被(bèi)稱爲可(ke)膨脹系(xi)數e。
 
　　對于(yú)天然氣(qì)而言，可(kě)膨脹性(xìng)系數的(de)不确定(dìng)度爲:δc/c=±4(△p/p1)%
　　它(tā)與孔闆(pǎn)流量計(jì)實測差(cha)壓△p成正(zheng)比，與靜(jing)壓p1成反(fǎn)比。目前(qian)在天然(rán)氣計量(liang)中差壓(yā)值-般在(zai)5000Pa之内，靜(jìng)壓在1-10MPa範(fan)圍内，因(yīn)此δc/c最小(xiǎo)爲±0.0002%，最大(da)爲±0.2%或更(gèng)大。
3.3天然(ran)氣密度(dù)測量不(bu)确定度(du)δρ/ρ
　　密度取(qu)值按測(cè)量方法(fǎ)的不同(tong)而異，其(qi)一爲直(zhí)接密度(dù)測量，由(yóu)密度計(jì)直接決(jué)定其值(zhi);天然氣(qi)密度測(cè)量的不(bu)确定度(dù)δρ/ρ最小爲(wei)±1.013%，最大爲(wèi)±1.571%或更大(dà)。
3.4差壓P的(de)不确定(dìng)度
　　标準(zhun)SY/T6143--2004中的流(liu)量實用(yong)公式在(zài)應用能(néng)量方程(chéng)導出過(guò)程中，規(gui)定測量(liàng)管道水(shui)平(包括(kuò)上、下遊(yóu)側的測(ce)量管)。因(yin)此，其上(shàng)、下遊取(qu)壓口的(de)位置差(chà)爲零，差(chà)壓Ap則是(shi)在孔闆(pan)上、下遊(you)側所規(gui)定的取(qǔ)壓口位(wei)置上量(liàng)得的靜(jìng)壓之差(chà)。
 
　　式中:ξ△p爲(wei)差壓計(ji)的精度(dù)等級;△pk,爲(wei)差壓計(ji)的量程(cheng);△pf爲預定(dìng)差壓測(ce)量值。
　　由(you)此可見(jiàn)，當所用(yong)差壓計(ji)的精度(du)爲0.5級，量(liàng)程爲0~ 600kpa,預(yù)設差壓(yā)測量值(zhi)爲300kpa時，對(dui)于天然(ran)氣孔闆(pan)流量 計(ji)，置信概(gai)率爲95%的(de)測量總(zong)不确定(dìng)度爲: 天(tiān)然氣流(liu)量測量(liàng)的總不(bú)确定度(du)，據SY/T6143-2004規定(dìng)，實際上(shang)就是測(ce)量系統(tǒng)的測量(liàng)值與真(zhēn)值比較(jiao)，置信概(gài)率爲95%的(de)正确度(dù)，其測量(liang)的總不(bú)确定度(dù)8Qn/Qn最小爲(wèi)±0.82%,最大爲(wèi)±4.52%或更大(dà)。
4孔闆流(liú)量計使(shi)用中的(de)測量誤(wu)差分析(xī)
　　在實際(jì)應用時(shí)，對于孔(kong)闆流量(liang)計如果(guo)使用不(bú)當,會造(zao)成很大(da)的測量(liàng)誤差，有(you)時可達(da)到20%左右(yòu)。在流量(liàng)計的使(shǐ)用中，如(ru)何減少(shǎo)其測量(liang)誤差，必(bi)須考慮(lü)流量的(de)測量原(yuán)理和結(jie)構形式(shì)，注意使(shi)用條件(jian)和測量(liang)對象的(de)物理性(xing)質是否(fǒu)與所選(xuan)用的流(liú)量計性(xìng)能相适(shì)應。下面(miàn)就其測(ce)量誤差(chà)進行分(fèn)析:
4.1流量(liang)計算方(fāng)程描述(shù)流體是(shì)充滿圓(yuán)管的、充(chong)分發展(zhan)的定常(cháng)流。若流(liú)動狀态(tai)真實性(xìng)無法确(que)定,如果(guǒ)仍按照(zhao)原有的(de)儀表常(chang)數推算(suan)流量，将(jiang)與實際(ji)流量存(cun)在誤差(cha)。
4.2天然氣(qi)以甲烷(wán)爲主加(jia)上乙烷(wán)和其他(tā)少量的(de)輕烴，真(zhen)實相對(duì)密度小(xiǎo)于或等(deng)于0.75。由于(yú)被測介(jiè)質實際(jì)特性的(de)不确定(ding)因素，以(yǐ)及實際(jì)物性變(bian)化影響(xiǎng)儀表正(zheng)常工作(zuo)等對流(liu)量測量(liang)的不确(que)定度産(chǎn)生影響(xiǎng)。
4.3孔闆的(de)結構設(she)計、加工(gōng)、裝配、安(an)裝、檢驗(yan)和使用(yòng)必須符(fu)合标準(zhǔn)規定的(de)全部技(ji)術要求(qiu)。由于各(gè)個裝置(zhì)自身及(ji)環境條(tiao)件因素(sù)引起的(de)不确定(ding)因素。
4.3.1孔(kong)闆安裝(zhuāng)不正确(que)
　　管道水(shui)平安裝(zhuāng)，如果孔(kǒng)闆開孔(kǒng)中心與(yǔ)管道中(zhong)心線不(bu)同心;如(rú)果在安(ān)裝過程(chéng)中存在(zai)引壓管(guan)堵塞及(ji)墊片等(děng)凸出物(wù)，則會造(zao)成孔闆(pan)前後壓(ya)差測量(liàng)不正确(què)，從而造(zao)成測量(liàng)誤差。
4.3.2孔(kong)闆入口(kǒu)邊緣被(bèi)磨損
　　在(zai)使用中(zhōng)，由于流(liu)體的磨(mo)蝕作用(yòng)，使孔闆(pan)的入口(kou)邊緣變(bian)鈍，被磨(mo)成圓形(xing)入口邊(biān)緣。結果(guo)是在相(xiàng)同的流(liú)量下，孔(kong)口收縮(suo)系數變(bian)大，造成(chéng)差壓發(fa)生變化(huà)，造成測(cè)量誤差(chà)。
4.3.3孔闆表(biǎo)面的結(jie)垢
　　長期(qī)使用時(shi)，孔闆表(biǎo)面結垢(gou)，使孔闆(pan)的流通(tong)面積變(biàn)小，從而(ér)造成差(cha)壓增大(da)，使流量(liang)計測量(liàng)值大于(yu)實際值(zhí)，影響計(ji)量精度(du)。
4.4差壓變(bian)送器零(ling)點漂移(yi)和量程(cheng)設置不(bú)當
　　由于(yu)時間較(jiao)長，變送(sòng)器的零(ling)點會發(fā)生漂移(yi)，這時差(chà)壓變送(sòng)器的輸(shu)人和輸(shū)出信号(hào)發生變(bian)化。若不(bu)及時調(diào)整，會造(zào)成實測(ce)流量值(zhí)偏低或(huò)偏高。
5結(jie)束語
　　客(kè)觀地講(jiǎng)，在采用(yòng)孔闆流(liu)量計測(ce)量天然(ran)氣流量(liang)時，對孔(kong)闆流量(liàng)計的一(yī)次裝置(zhì)(孔闆節(jiē)流裝置(zhì))和二次(ci)儀表(差(chà)壓、靜壓(ya)、溫度、被(bei)測介質(zhì)物性等(děng))的選擇(ze)、設計、安(an)裝、使用(yong)嚴格按(an)照SY/T6143-2004國家(jia)标準進(jìn)行，加上(shang)不定期(qī)維護和(he)檢查，才(cái)能保證(zhèng)天然氣(qì)孔闆流(liú)量計的(de)測量精(jīng)度。

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