孔板流量計的使用與維護

孔板流量計的使用與維護
  摘要：孔板流量計是一種廣泛使用的容積式流量計，本文簡要敘述了孔板流量計的工作原理,對孔板流量計的計量誤差及原因進行了分析并提出了相應的措施，給工程技術人員提供一定的幫助。
   關鍵詞：孔板流量計；結構原理；計量誤差；分析；措施..
   0 引言
   標準孔板流量計結構簡單，操作較方便，使用技術成熟，使得其在管道計量中得到廣泛應用，據統計，目前孔板流量計是我國天然氣管道計量用得最多的計量設備，占整個貿易計量的50%左右。為了規范孔板流量計量，國家專門制定了GB2628和SY/T 6143計量標準，對計量系統進行了說明和要求，同時，也出臺天然氣場站儀表配備指南，對計量系統儀器儀表精度等級進行了要求。但是由于孔板流量計計量系統的結構特點,決定了會產生兩種誤差，一種是基本誤差，這是流量計本身所存在的誤差，第二種是附加誤差，是由于流量計在使用時偏離了標準條件產生的。由于人為操作的環節多，且天然氣這一物質的計量是一種連續的、不可重復的計量，若不加以適時監控，所引起的計量附加誤差相當大，尤其當天然氣作為商品進行貿易結算時，為供需雙方帶來不利影響,本文分析了產生誤差的主要原因，并提出了相應的整改措施。..
   1 孔板流量計的結構組成及其測量原理
   1.1 結構組成
   孔板流量測量系統一般由節流裝置(標準孔板)、壓力變送器、差壓變送器、鉑熱電阻及其流量積算儀組成。其中孔板節流裝置包括孔板、孔板夾持器和上下游直管段。其結構如圖1所示。
圖1 孔板節流裝置的組成
1為上游側第二阻流件;2為上游側阻流件;3為孔板和孔板夾持器;4為差壓訊號管路;5為下游側阻流件
   1.2 測量原理
   天然氣經過孔板后，在孔板前后產生差壓，實驗結果證明，天然氣的流量和差壓的平方根成正比，算出比例系數也就測出了流量。
   (1)差壓式孔板流量計包括三部分:①現場取壓部分，包括高級孔板閥、前后直管段、導壓管;②溫度、壓力、組分補償部分，包括現場用溫度變送器、壓力變送器、天然氣組分分析儀計量的實時數據;③流量計算部分，指專用流量計算機(或計算儀)所安裝的計量標準程序。(2)在實際應用過程中，當充滿管道的流體流經管道內的節流件時，如圖2所示。圖2 孔板附近的流速和壓力分布
   流線將在節流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節流件前后便產生了壓差。流體流量愈大，產生的壓差愈大，這樣可依據壓差來衡量流量的大小。這種計量方法是以流動連續性方程(質量守恒定律)和.. 伯努利方程(能量守恒定律)為基礎的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關，例如當節流裝置形式或管道內流體的物理性質(密度、粘度)不同時，在同樣大小的流量下產生的壓差也是不同的。以伯努利方程式和流體流動的連續性方程式為依據，天然氣流量計算公式為：
    根據氣體易壓縮、密度差異大、受溫度影響特點，得出天然氣流量計量的實用公式是:
其中:Q n為標準狀態下氣體體積流量;A h為常數,標況下為0.008686;α.. 為特定流量系數; γre為計量管內壁流量修正系數;b k為孔板(0) 入口邊緣銳利度修正系數;F r為雷諾數修正系數;ε為氣體膨脹系數;d為孔板在20℃下實測的開孔口徑;F a為孔板熱膨脹修正系數;F 為天然氣相對密度修正系數;F z為超壓縮系數;F t為流體流(g) 動溫度修正系數; P1為孔板上游側壓力;h w為氣體流過孔板時的差壓。..
   2 誤差因素分析及技術要求
   2.1 基本誤差
   (1)由計量裝置本身精確度所決定的誤差。由于孔板流量計測得的流量是根據差壓信號間接求得的。從公式可以看出，影響計量精確度的主要因素是α、F、ε等值。必須保持α、F、ε均為恒定值,才能達到差壓和流量之間有恒定的對應關系。但在實際生產中，α、F、ε都與某些因素有關，特別是流量系數α，它是一個影響因素復雜，變化范圍大的重要系數，如果在計量過程中不能保證α為恒定值，則計量誤差將會較大。
   從資料和實驗證明，流量系數α值與取壓點位置、孔板的開孔截面積和管道截面積比(m=d2/D2)、雷諾數、管壁粗糙度、孔板入口邊緣尖銳度有關。所以，標準孔板的選用應符合下列技術要求:
孔板相對于開孔直徑d的軸線中心對稱;
孔板上游端面A應于下游端面B平行，并且與開孔直徑d的軸線垂直;
孔板A面、B面應無可見的損傷;
孔板開孔直徑d的上游測直角入口邊緣G應銳利,無毛刺和劃痕。
孔板開孔直徑d的內圓柱表面長度e應符合:0.005D≤.. e≤0.02D;
孔板的厚度應符合:e≤F≤0.005D;
孔板下游側出口邊緣H和孔板開孔圓柱形下游側出口邊緣I應無毛刺、劃痕和可見損傷;
    標準孔板在使用過程中,會由于天然氣的侵蝕而產生變形,從而引起流量系數增大而產生計量誤差。因此孔板的材質也是保證孔板工作可靠和計量準確的一個因素。用于天然氣計量的孔板采制一般為:Cr17、Cr18Ni9TiC以及其他耐酸鋼。
   (2)變送器和流量顯示儀表的精確度對整套流量計系統的精確度也很重要。目前，變送器大多數采用的都是.. 4～20mA信號，顯示儀表采用數字信號，只要變送器現場安裝和系統接地沒有問題，整個系統誤差不會受到影響。
   (3)流量積算部分之間的誤差，當溫度、壓力、差壓、組分等數據傳到流量積算器后，積算器結合已經輸入的節流裝置基本信息計算流量，積算器所安裝的計量標準程序主要有SY/T 6143標準、AGA3標準、ISO 5167標準，在計量參數一致的情況下，通過幾個標準換算出的中間參數和最終的計量結果不超過萬分之一。
   2.2 附加誤差
   如果儀表的制造、選型都嚴格按照標準執行，而在安裝和使用過程中，沒有嚴格遵守技術要求執行，就會造成誤差，這種誤差的大小是無法估計的。但是通過對造成誤差因素的分析，可以將誤差降低。
   孔板計量系統安裝使用時，必須符合下列技術要求:
  (1)孔板安裝時，他的開孔中心和管道中心軸線同心，而且它的端面與管道軸線垂直。
  (2)孔板上下游側取壓孔軸線符合距孔板上下游端面的距離為25.4±0.8mm的要求(目前國內絕大部分取壓方式采用法蘭取壓)。
  (3)取壓孔的軸線應與孔板上下游側2D計量管長度的內圓柱的軸線垂直，取壓孔的軸線與孔板兩端面向外傾斜角的夾角不大于3度。取壓孔直徑不應大于0.08D。
  (4)孔板安裝需要前后直管段，直管段的長度必須滿足標準要求，必要時安裝整流器。
  (5)導壓管應采用耐腐蝕材料，其內徑不小于6mm，長度在16mm以內，導壓管應垂直或傾斜敷設，起傾斜度不小于1:12。
  (6)計量氣體溫度的溫度計安裝在孔板下游側直管段以外的地方，計算氣量時應將此時所測的氣流溫度換算成孔板上游側的氣流溫度，如果溫度計安裝在孔板上游側，則溫度計套管與孔板之間的直管段長度L應滿足下列規定:當溫度計套管直徑不大于0.03D時(D為計量管內徑)，L≥5D;當溫度計套管直徑在0.03D至0.13D范圍內時(D為計量管內徑)，L≥20D。
   2.3 其他方面的差
   （1）儀器本身產生的誤差
   孔板入口直角銳利度超出標準規定；管徑尺寸與計算不符；孔板厚度誤差；節流件附件產生臺階、偏心；孔板上游端面不平整度；環室尺寸產生臺階、偏心；取壓位置不符合標準；焊接、焊縫突出；取壓孔加工不規范或堵塞；節流件不同軸度。
  （2）安裝誤差
   管線布置的偏離及取壓管產生積液，溫度傳感器測溫元件距離裝置較遠，其主要原因是裝置前后直管段長度不能滿足標準要求。
   （3）使用誤差孔板彎曲、變形及上游端面沉積臟物；上游取壓管沉積臟物；孔板入口直角邊緣變鈍、破損。..
    3 解決天然氣孔板計量問題的途徑..
   3.1 依據標準,加強儀表的安裝、使用、維護等管理,消除人為誤差孔板流量計易于偏離標準的原因，在于儀表本身的工作原理與結構特點，儀器自身誤差是制造時產生的，安裝和使用誤差則是在安裝時或長期使用中由于流體介質腐蝕和磨損等：天然氣計量中的存在問題及解決方法腐蝕、磨損、沾污等造成的。因此，應嚴格按技術要求安
裝流量計量系統，消除安裝誤差。在使用過程中，操作人員應做好系統的檢修、維護、保養工作，延長其使用壽命，減小計量誤差。同時，在實際應用中應強化宣貫徹SY/T6143-2004標準力度，標準在附錄《節流裝置在使用中出現部分偏離標準規定的處理》中規定，在實際應用中采
取在流出系數C中增加二個修正系數，即孔板入口尖銳度修正系數和管壁粗糙修正系數，或者采用可換孔板節流裝置。因此在天然氣計量的實際應用中應深入研究，正確掌握標準內容，嚴格按標準規定安裝、使用、處理數據，確保天然氣流量計量的準確度滿足生產經營要求。
   3.2 正確選用配套的儀表
   (1)測量天然氣流量的標準孔板節流裝置的制作應符合標準要求，配套的壓力、差壓及Pt100鉑熱電阻的型號、準確度和量程應與現場工況條件相匹配，尤其是流量積算儀或計算機系統配套軟件及計量模型，應等同采用SY/T6143-2004標準的計算公式，或近AGA ReportNo.3版本。
   (2)孔板流量計測量范圍(量程比)較窄，一般為3∶1或4∶1，但可以在孔徑比0:1≤β≤0:75范圍內通過調整標準孔板的內徑來擴大量程。但要選擇較寬量程比的壓力和差壓變送器，智能積算系統能輸入組份實時計算C值。
   (3)現場安裝條件要求高，往往無法滿足天然氣管網輸配氣計量寬量程的需要。孔板銳角邊的磨損、結垢等因素均會影響計量精度。需要經常檢查、清洗孔板。用于貿易交接計量的測量天然氣流量和標準孔板、壓力和差壓變送器、溫度變送器和氣相色譜儀等配套器具,需按期檢定。..
   3.3 引用進技術，加快新型流量計的開發天然氣是21世紀日益重要的一次性能源，在天然氣國際貿易中，能量計量幾乎已全面取代傳統的體積計量，而我國目前仍采用天然氣體積計量方式。為了盡快與國際接軌，引進、消化、吸收近幾年發展起來的天然氣計量新技術成為當務之急，使用單位可以與各科研究院所聯合攻關，開展天然氣能量計量的試驗工作，并在此基礎上加快技術裝備、計量儀表和計算方法的標準化建設步伐。為了加快試驗開發的進度，建議引進進的在線氣相色譜系統和流量計算機，在消化引進技術的基礎上發展適合我國國情的天然氣能量計量系統。..
   4 結論
  影響流量計的計量誤差因素很多，如天然氣的組分影響、管道粗糙的影響、上下游用戶計量方式不同等等。因此，不僅要解決上述的幾個問題，而且還要改進工藝流程，加強計量監督檢查，提升計量人員的業務水平，熟悉計量法律法規及計量交接協議的規定。只有這樣，才能消除流量計的計量附加誤差，提高標準孔板流量計的計量準確性。
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