摘要: 孔(kong)闆流量(liang)計 是一種(zhong)廣泛(fan)應用于(yu)石(shi)化工(gong)業的(de)流(liu)量(liang)測量(liang)儀表。目前天然氣計(ji)量已(yi)制定(ding)了許多相關的(de)國家标準，行業(ye)标準(zhun)和計量檢(jian)定規程(cheng)等,但尚(shang)未形成完整體(ti)系,與國(guo)外相比(bi)尚有較大(da)差距。本文主要探讨(tao)了天(tian)然氣(qi)孔闆(pan) 流量(liang)計 測量中(zhong)正确(que)率(lü)要(yao)求,分(fen)析了(le)影響(xiang)測量(liang)不确定度(du)的幾(ji)種因(yin)素,提出引(yin)起流(liu)量(liang)測(ce)量誤差的(de)各種(zhong)原因(yin),這對于孔闆流(liu)量計(ji)的使用具(ju)有一定(ding)的(de)指導(dao)作用。
0引言
　　在衆(zhong)多的能(neng)源中，天(tian)然氣(qi)作爲一種(zhong)清潔(jie)的燃(ran)料和(he)優質(zhi)原料,不但(dan)提高了人(ren)們的(de)生活(huo)質量，而且(qie)還保護(hu)了(le)我們(men)賴以生存的環(huan)境。孔闆流量計(ji)作爲主(zhu)要的測(ce)量儀(yi)表(biao)，在20世紀初使用(yong)于天然(ran)氣流(liu)量(liang)測(ce)量，目前已(yi)成(cheng)爲全世(shi)界主要的天然氣流(liu)量(liang)計。近幾(ji)年來(lai)天然氣流量計計量相關(guan)技術(shu)标準(zhun)相繼頒布實施，我國(guo)天然氣(qi)計量專(zhuan)業性(xing)标準爲《用(yong)标準孔(kong)闆(pan)流量計測量天(tian)然氣(qi)流量(liang)》(SY/T6143-2004)"。
1.天然氣孔(kong)闆流(liu)量(liang)計的組(zu)成
 
　　孔闆(pan)流(liu)量計(ji)是将(jiang)标準孔闆(pan)與 差(cha)壓(ya)變(bian)送器 配套(tao)組成的差(cha)壓式流(liu)量(liang)裝置(zhi)，可測(ce)量(liang)氣體、蒸(zheng)汽、液體及(ji)天然(的流(liu)量,廣泛應(ying)用于(yu)石(shi)油(you)、化工、冶金(jin)、電力、供熱(re)、供水(shui)等(deng)領(ling)域的過程(cheng)控制(zhi)和測(ce)量。如圖1所(suo)示。
2天(tian)然氣孔闆(pan)流量(liang)計的工作(zuo)原理
2.1測量(liang)原理
　　孔闆(pan)流量(liang)計是(shi)以相(xiang)似原理(li)爲根據(ju)，以實(shi)驗(yan)數(shu)據爲基礎(chu)的瞬時流(liu)量計(ji)。天然氣孔(kong)闆流量計(ji)基于(yu)流體(ti)在通(tong)過設置于流通管道(dao)上的流動(dong)阻力(li)件時産生的壓(ya)力差與(yu)流(liu)體流量之間(jian)的确定(ding)關系,通過測量(liang)差壓(ya)值(zhi)求(qiu)得流(liu)體流量”。
2.2流(liu)量方(fang)程
 
　　如(ru)圖(tu)2所示，根(gen)據流(liu)動連(lian)續性(xing)方程(質量(liang)守恒(heng)定律(lü))和伯(bo)努利方程(能量守恒(heng)定律)，天(tian)然(ran)氣孔(kong)闆流量計的流(liu)量方程爲(wei):
 
　　式中(zhong):Q爲體(ti)積流(liu)量;β爲(wei)直徑比，β=d/D;d爲工作(zuo)條件(jian).下節流件(jian)的孔徑(jing);D爲(wei)工作(zuo)條件(jian)下(xia).上遊管(guan)道内徑;A。爲(wei)節流件的(de)開孔截面(mian)積;C爲(wei)流出(chu)系數;OP爲節(jie)流裝置前(qian)後實際(ji)測得的差壓(ya);p爲節流裝(zhuang)置上遊流(liu)體密度;e爲可膨脹系(xi)數。
2.3流動狀(zhuang)态的(de)要求(qiu)
　　孔(kong)闆流量(liang)計的流(liu)出(chu)系數(shu)C是在(zai)特(te)定(ding)的實(shi)驗室參比(bi)條件(jian)下，通過大量的(de)實驗數據推導(dao)得出的(de)計算方(fang)法。因(yin)此，爲(wei)了保(bao)證測(ce)量精(jing)度，對(dui)于氣流流(liu)動狀(zhuang)态應(ying)符合如下(xia)四條(tiao)要求:
2.3.1流體(ti)必須(xu)是(shi)牛頓流(liu)體，在物(wu)理(li)學和熱力(li)學(xue)上是均(jun)勻的、單相的，或者可(ke)認(ren)爲是單(dan)相的流體(ti)。
2.3.2流體流動(dong)是(shi)穩(wen)定流(liu)或随(sui)時間(jian)變化(hua)不大(da)的緩(huan)變流(liu)
2.3.3流體(ti)必須(xu)滿管(guan)流，流(liu)經節流件(jian)前流動應達到充分(fen)紊(wen)流，流束(shu)平行于(yu)管(guan)道軸線且無(wu)旋轉，流(liu)經節(jie)流件時不(bu)發生(sheng)相變。
2.3.4流體(ti)通過孔闆(pan)節流(liu)裝置(zhi)的流動，必(bi)須保持孔(kong)闆下(xia)遊靜(jing)壓(ya)與孔闆(pan).上遊靜壓(ya)之比不小(xiao)于(yu)0.75，管道雷(lei)諾數(shu)Re≥5000(角接(jie)取壓(ya))和管(guan)道雷(lei)諾數(shu)Re≥1260B2D(法蘭取(qu)壓)。
3天然(ran)氣孔闆(pan)流量計(ji)不确定(ding)度(du)分析(xi)
　　由于(yu)存在取壓(ya)方式(角(jiao)接取壓、法蘭(lan)取壓)的影(ying)響;流量計算假設條(tiao)件等因素(su)的影響(xiang);孔(kong)闆加(jia)工、安裝等(deng)技術(shu)要求。孔(kong)闆(pan)流量(liang)計的(de)使(shi)用和流(liu)量計算必須嚴(yan)格遵(zun)守規範規(gui)定，否則，其(qi)流量(liang)測量的(de)不确定(ding)度無法(fa)計(ji)算或(huo)誤差(cha)較(jiao)大(da)。
　　根據(ju)天然(ran)氣孔(kong)闆流(liu)量計(ji)的流(liu)量方(fang)程(公式1)可(ke)知，影(ying)響流(liu)量測量的(de)精度主要(yao)由流出系數C、可(ke)膨脹(zhang)系數、差壓(ya)和天(tian)然氣(qi)的物性。
3.1流(liu)出系數不(bu)确定度變(bian)化
　　流(liu)出系(xi)數C是爲了(le)補償(chang)任意(yi)兩點的摩(mo)擦影響所列人的一(yi)一個(ge)經驗(yan)系數，它與(yu)節流件的(de)幾何形狀(zhuang)、取壓位置及雷(lei)諾數等有關，通(tong)常由(you)試驗(yan)确定。當直(zhi)管段長度(du)符合SY/T6143--2004的(de)規定的(de)節流(liu)前10D和(he)節流(liu)後4D長(zhang)的測量管(guan)，圓度(du)滿(man)足(zu)不大(da)于士(shi)0.3%的标準規(gui)定，則(ze)流出(chu)系數(shu)不确定(ding)度8clc隻随β值的(de)不(bu)同而不(bu)同。此時(shi)，當β≤0.6時，則δc/c=±0.6%;當β>0.60時(shi),則(ze)δc/c=±β%。
3.2天(tian)然氣(qi)可膨脹系(xi)數不确定度變(bian)化
　　當(dang)所測(ce)天然(ran)氣流(liu)經孔(kong)闆時(shi)，由于(yu)流速和(he)壓(ya)力的(de)改變(bian)而伴随着(zhe)密度(du)的(de)改變(氣(qi)體壓(ya)力從p1降爲(wei)p2,因膨脹而使密(mi)度減(jian)小)，爲适應(ying)此種變化(hua)以修(xiu)正因(yin)假(jia)設(she)密度(du)等于(yu)常量(liang)而對(dui)流量(liang)引起(qi)的偏(pian)差，因此(ci)必須加(jia)入一個系數,這(zhe)個系數被(bei)稱爲可膨(peng)脹系(xi)數e。
 
　　對(dui)于天(tian)然氣(qi)而言(yan)，可膨脹性(xing)系數(shu)的不(bu)确定(ding)度爲:δc/c=±4(△p/p1)%
　　它與(yu)孔闆流量(liang)計實測差(cha)壓△p成正比(bi)，與靜(jing)壓p1成(cheng)反比。目前在天(tian)然氣(qi)計(ji)量中差(cha)壓值-般(ban)在(zai)5000Pa之内，靜壓在1-10MPa範(fan)圍内(nei)，因此(ci)δc/c最(zui)小(xiao)爲±0.0002%，最(zui)大爲(wei)±0.2%或更(geng)大。
3.3天(tian)然氣密(mi)度測量(liang)不确定度(du)δρ/ρ
　　密度(du)取值按測(ce)量方法的(de)不同(tong)而異(yi)，其一爲(wei)直接密(mi)度測(ce)量，由密度(du)計直接(jie)決定其(qi)值;天(tian)然氣密度(du)測量的不确定(ding)度δρ/ρ最(zui)小爲(wei)±1.013%，最大(da)爲±1.571%或(huo)更(geng)大(da)。
3.4差壓P的不(bu)确定度
　　标(biao)準SY/T6143--2004中的流量實(shi)用公式在(zai)應用(yong)能量方(fang)程導出(chu)過程中，規定測(ce)量管(guan)道(dao)水(shui)平(包括上(shang)、下遊側的(de)測量管)。因(yin)此，其(qi)上、下遊取(qu)壓口(kou)的位(wei)置差(cha)爲零(ling)，差壓(ya)Ap則(ze)是在孔(kong)闆上(shang)、下遊(you)側所(suo)規定(ding)的取壓口(kou)位置上(shang)量得的(de)靜壓(ya)之差。
 
　　式中(zhong):ξ△p爲差(cha)壓計(ji)的精(jing)度等級;△pk,爲(wei)差壓(ya)計的(de)量(liang)程(cheng);△pf爲預(yu)定差(cha)壓測(ce)量值(zhi)。
　　由此可見(jian)，當所(suo)用差(cha)壓計的精(jing)度爲(wei)0.5級，量(liang)程爲(wei)0~ 600kpa,預設差壓測量(liang)值爲(wei)300kpa時，對于天(tian)然氣孔闆(pan)流量(liang) 計，置信概(gai)率爲(wei)95%的測(ce)量總不确(que)定度(du)爲: 天然氣(qi)流量測(ce)量的總(zong)不确(que)定度(du)，據SY/T6143-2004規(gui)定，實際上(shang)就是(shi)測量系統(tong)的測(ce)量值與真值比(bi)較，置(zhi)信概率爲(wei)95%的正(zheng)确度(du)，其測(ce)量的(de)總不(bu)确定(ding)度8Qn/Qn最(zui)小爲(wei)±0.82%,最大(da)爲±4.52%或更(geng)大。
4孔闆(pan)流量計使(shi)用中(zhong)的測(ce)量(liang)誤(wu)差分析
　　在(zai)實際應用(yong)時，對于孔(kong)闆流量計如果使用(yong)不當,會(hui)造成很大的(de)測量誤差(cha)，有時可(ke)達到20%左(zuo)右。在流(liu)量計的(de)使用(yong)中，如何減(jian)少其測量誤差(cha)，必須考慮(lü)流量的測(ce)量(liang)原理和(he)結構形式(shi)，注意(yi)使用條件和測(ce)量對(dui)象的(de)物理性質是否(fou)與所(suo)選用的流(liu)量計(ji)性能(neng)相适應。下(xia)面就其測(ce)量誤(wu)差進(jin)行分析:
4.1流(liu)量計(ji)算方程描(miao)述流體是充滿(man)圓管的、充分發(fa)展的(de)定(ding)常流。若(ruo)流動(dong)狀态真實(shi)性無法(fa)确定,如(ru)果仍(reng)按照原有(you)的儀(yi)表常數推(tui)算流量，将(jiang)與實際流(liu)量存在誤(wu)差。
4.2天然(ran)氣(qi)以甲(jia)烷爲主(zhu)加(jia)上乙(yi)烷和(he)其他(ta)少量(liang)的輕烴，真(zhen)實相(xiang)對密(mi)度小(xiao)于或(huo)等于(yu)0.75。由(you)于被測(ce)介質實際(ji)特性(xing)的不(bu)确定因素(su)，以及(ji)實(shi)際(ji)物性(xing)變化(hua)影響儀表(biao)正常工作等對(dui)流量(liang)測(ce)量(liang)的不(bu)确定度(du)産生影(ying)響。
4.3孔(kong)闆(pan)的(de)結構(gou)設計(ji)、加工(gong)、裝配(pei)、安裝、檢驗和使(shi)用必(bi)須(xu)符(fu)合标(biao)準規定(ding)的全部(bu)技術要求。由于(yu)各個裝置自身(shen)及環境條(tiao)件因(yin)素引(yin)起的不确(que)定因(yin)素(su)。
4.3.1孔闆安(an)裝不(bu)正确
　　管道(dao)水平安裝(zhuang)，如果(guo)孔闆開孔中心(xin)與管(guan)道(dao)中(zhong)心線(xian)不同心;如(ru)果在(zai)安裝(zhuang)過(guo)程(cheng)中存(cun)在引壓(ya)管堵塞(sai)及墊片(pian)等(deng)凸出(chu)物，則會(hui)造成孔(kong)闆前後(hou)壓(ya)差測(ce)量不正(zheng)确，從而(er)造成測(ce)量誤差。
4.3.2孔闆(pan)入口邊緣(yuan)被磨損
　　在(zai)使用中，由于流體的(de)磨蝕(shi)作用，使孔(kong)闆的入口邊緣(yuan)變鈍，被磨(mo)成圓(yuan)形入口邊緣。結(jie)果是在相(xiang)同的流量(liang)下，孔口收(shou)縮系數(shu)變(bian)大，造(zao)成差(cha)壓發生變(bian)化，造成(cheng)測量誤差。
4.3.3孔(kong)闆表面的(de)結垢(gou)
　　長期(qi)使用(yong)時，孔闆表面結(jie)垢，使孔闆(pan)的流(liu)通面(mian)積變小，從(cong)而造成差壓增大，使(shi)流量計測(ce)量值大(da)于實際(ji)值，影響計量精(jing)度。
4.4差(cha)壓變(bian)送器零點漂移(yi)和量(liang)程設置(zhi)不當
　　由于時間較長，變(bian)送器的零(ling)點會(hui)發生(sheng)漂移，這時(shi)差壓變(bian)送(song)器的輸人(ren)和(he)輸出信(xin)号發(fa)生變化。若(ruo)不及(ji)時調整，會(hui)造成(cheng)實(shi)測(ce)流量(liang)值偏(pian)低或偏高(gao)。
5結束語(yu)
　　客(ke)觀地(di)講，在(zai)采(cai)用孔闆(pan)流量(liang)計測量天(tian)然氣流量時，對(dui)孔闆(pan)流量(liang)計的(de)一次(ci)裝置(孔闆(pan)節流裝(zhuang)置(zhi))和二(er)次儀(yi)表(biao)(差(cha)壓、靜(jing)壓、溫度、被測介質物(wu)性(xing)等)的選(xuan)擇、設計、安裝、使(shi)用嚴(yan)格按(an)照SY/T6143-2004國(guo)家标準進行，加(jia)上不(bu)定期維護(hu)和檢查，才(cai)能保(bao)證天然氣孔闆(pan)流量計(ji)的(de)測量(liang)精度(du)。

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