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标准孔板流量计

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浅谈影响标准孔板流量计测量天然气流量准确度的因素及应对措施

作者: 来源: 发布时间:2020-01-10 15:43:02

    摘 要: 标准孔板流量计因其复杂的测量原理和对流体性能的严格要求及苛刻的安装条件,使得测量结果的准确度受到较多的因素影响。本文简要介绍了影响标准孔板流量计测量天然气流量的相关因素,并提出针对这些因素的应对措施。

    标准孔板流量计是根据能量守恒和流动连续性方程,在流体通过节流装置时流速增加静压降低,流体流速越大,在孔板前后产生的差压也越大,通过测量差压来测量通过孔板的流体的流量,见式( 1) :

 

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    式中: qvn—流体在标准参比条件下的体积流量; c—流出系数; ε—可膨胀性系数; β—直径比; d—操作条件下孔板开孔直径; ΔP—差压; ρ1—流体在操作条件下上游取压孔处密度; ρn—标准参比条件下的密度。

    标准孔板流量计具有技术成熟,生产安装标准化,性能稳定等优点,广泛用于石化和城镇燃气行业的天然气测量。但由于其复杂的测量原理和苛刻的安装条件及对流体性能的严格要求,存在较多影响其测量结果准确度的因素。本人结合多年来对标准孔板流量计的工艺设计、使用及维护经验,简要论述一下影响标准孔板流量计测量天然气流量准确度的因素并提出应对措施。

    1 工艺设计上的影响因素
    1. 1 前端直管道不符合规范要求

 

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    在输配站场中,由于受场地和工艺的流程的限制,不可避免的要在节流孔板前端设置三通、弯头、阀门、等管件和输配设备。标准孔板流量计测量天然气的前提是流体为充分发展的紊流状态的单相流,流速在管道内沿轴线均匀对称分布。节流孔板前端的管件和输配设备必将对天然气形成阻流、转向和流速分布的改变,为了获得符合要求的流体,必须要使节流装置前端和阻流件之间有足够长的直管段。按照 GB /T21446 - 2008 5. 3 的规定,孔板与阻流件间的最短长度应符合表 1 规定。

    由表 1 可知,除去在 β 取极小值的 0. 2 的情况外,对于其他的 β 值前端直管段普遍在 20D 以上。对于这样的直管段长度要求,在工艺设计上显然是难以完全满足规范要求的。因此在前端直管长度上不是所有标准孔板流量计都能够满足规范要求的。这是影响标准孔板流量计测量准确度一大因素。

    1. 2 采用了较大的计量管或较大的孔径比
    在进行流量计设计时,一般会上浮一定的裕量,采用较大的计量管。但在实际的供气中,用气量往往达不到设计流量,造成在运行时天然气流体的管径雷诺数较小。根据流体力学,天然气管径雷诺数越小其质子和其中的微粒扩散越弱,这既不利于天然气流体在计量管内形成流速分布均匀的紊流,又会造成固体微粒凝聚形成两相流。同时雷诺数越小流体抵御管道内壁粗糙度影响的能力越弱。因此计量管选择过大将会对测量结果的准确度产生不利影响。从表 1 可知在同一阻流件下,孔径比越大要求前端直管段越长,这就意味如果采用的 β 值越大,越难以满足规范的技术要求。因此在设计中采用大管径计量管或是大孔径比,都将对测量结果的准确度产生不利影响。

    1. 3 采用先调压后计量的工艺
    该方式可在标准孔板处可以得到较稳定的静压,但是调压阀却会严重影响天然气的流态。目前调压阀体内的天然气通道绝大部分为 U 型通道,且阀口开度只有 10 来毫米甚至几毫米,天然气在经过调压阀后,流态和流速都变得极为不稳定,并且调压阀阀口开度频繁的调节还会引发天然气脉动流。天然气的流态根本不能满足标准孔板流量计测量天然气的关于流体流态的规定,这必将对测量结果的准确度产生较大的影响。这种影响的大小根本没法从理论上评估。

    1. 4 流动调整器与孔板间距离不符合要求
    流动调整器可以减小孔板前端直管段的长度,在安装位置上对于不同的前端阻流件是有严格要求的。在工艺设计中,往往没有考虑前端阻流器的类型和阻流件与孔板间的距离,而将流动调整器与孔板间的距离都简化为 13 倍计量管内径,或者直接将流动调整器与上游计量管连接。按照 GB /T21446 - 2008 相对于不同的阻流件及其与孔板间的距离,流动调整器与孔板间的距离应符合表 2 规定。

 

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    表 2 的数据时在通过大量实验的基础上得出的数据,是标准孔板流量计准确测量的前提。如不严格执行表 2 的技术要求,将会对测量结果产生附加不确定度,其影响程度只有通过在线校准评估。

    1. 5 计量系统组件的影响
    标准孔板流量计要实现对天然气流量的测量,除了节流装置外还需要配备二次仪表、流量计算机以及信号处理与采集设备,其计量系统组成如图 1。

 

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    从图 1 可以看出,节流装置只是产生差压,要测量天然气的流量必须依靠压力、差压变送器、温度变送器、密度传感器等二次仪表测量相应的参数并经信号隔离、采集和转换后输入流量计算机进行计算。因此二次仪表、信号隔离器的精度等级和性能以及流量计算机的流量计算方法,都会对天然气的流量测量结果直接的影响。在进行计量系统设计时由于对二次仪表及信号隔离器的精度等级选择过低,最终导致天然气的测量准确度超出规定的范围。根据GB /T18603 - 2014 的规定在不同测量等级的计量系统中二次仪表的精度等级应符合表 3 要求。

 

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    另外流量计算机的计算模型、编程方法、数据采集周期、累计算法也会对最终的测量结果产生影响。

    2 安装上的影响因素
    2. 1 节流装置及前后直管段安装影响因素
    标准孔板流量计的测量公式中的流出系数 c 是在严格的试验条件下得出的,现场的安装必须严格按照 GB /T21446 - 2008 执行,才能确保流出系数 c不发生变化。标准孔板流量计的调整器、计量管、节流装置等都通过法兰连接,在安装是容易出现各个部件不同心,导致孔板中心和计量管轴线不在同一直线上或孔板端面与轴线不垂直。GB /T21446 - 2008 要求孔板与轴线倾斜度不得超过 1°,如果超过允许范围会使测量结果偏小。通过现场试验当孔板倾斜度超过 1°时,测量误差随 β 的增大而增大,最大可达 - 3. 5% 。

    2. 2 二次仪表安装影响因素
    (1) 压力、差压变送器的导压管弯管半径过小,管道坡度不够,会造成压力、差压波动失真。铂电阻安装方向不对或插入深度不符合要求,会造成温度测量误差。这些会导致因压力、差压、温度测量误差而影响天然气测量结果的准确度。

    (2) 在标准孔板流量计计量系统中,现场变送
    器与信号隔离器之间都采用屏蔽电缆连接。屏蔽层应在控制端与工作接地连接,现场端浮空。一些计量系统错误的采用两端都与工作接地连接,或直接将屏蔽层与防雷接地连接。这些错误连接不但起不到防电磁干扰的作用,反而会在屏蔽层的两端形成电势差,引起变送器测量信号的传输误差。

    3 使用维护的影响因素
    (1) 天然气中管道中积聚液态水或是在工艺中使用压缩机加压,都会引发天然气流体脉动流。脉动流会引起压力和差压的呈周期性的突变,使压力、差压测量不准确。在运行中难免会在孔板、计量管、导压管内沉积粉尘和积液。由于天然气的连续冲蚀,计量管内壁、孔板的粗糙度增大。这些因素都会导致测量结果偏差。

    (2) 在使用中注重对二次仪表的校验,忽视了对节流装置、孔板的检查和信号隔离器的校验。计量系统作为一个整体,其中任何一个环节出现误差都会导致天然气的测量误差。

    (3) 目前多数标准孔板流量计计量系统采用离线气质分析,一个月或一个季度进行一次采样分析,并将分析结果输入流量计算机用于流量计算。而现场天然气其组分是在不断变化的,这种离线分析的方式必然会对测量结果产生影响。

    4 应对措施
    4. 1 在设计上简化工艺流程,保证前端直管段的长度,流动调整器要严格按规定的位置设计
    在满足流量的情况下采用小计量管和较小的 β 值,以牺牲一定的压力来确保前端直管段长度和天然气流态符合规范要求。严格执行先计量后调压的流程,避免计量受调压的影响。计量仪表应由计量工程师根据流量、压力等参数选择,使其精度等级、量程和性能满足测量要求。

    4. 2 安装是确保标准孔板流量计测量准确的重要保证
    安装时重点控制孔板、计量管的同心度。用于与计量管连接的管道要严格检查内壁粗糙度和内径是否符合要求。加强二次仪表安装、布线控制,避免二次仪表引入误差的影响因素。

    4. 3 对天然气进行除尘、脱水处理,减少粉尘、液态水对测量结果的影响
    在工艺上设置进站缓冲设备,消除流体的脉动。定期对孔板、节流装置、二次仪表进行检查维护,根据流量适时调整孔板孔径,根据计量管、孔板的粗糙度,对流出系数进行修正。定期校验时既要对二次仪表、隔离器进行单独校验,又要对整个计量系统进行联校,以确保测量结果的准确。缩短气质采样分析周期,尽量减少因气质参数引起的测量误差。对于大流量及重要测量点应进行周期性的在线校准,检查计量系统是否符合技术要求,实际不确定度超出技术要求时应进行在线校准系数修正。

    5 结束语
    随着高精度二次仪表的应用,因二次仪表测量误差造成的影响越来越小,流量计算机的应用,使流量计算变得快捷准确,避免了人工计算流量的误差。标准孔板流量计测量的先决条件是流体为充分发展的紊流状态的单相流,流速在管道内沿轴线均匀对称分布。其流出系数也是假定流体雷诺数大于106,且孔板前端有很长的直管段的试验条件下得出的。由此可见天然气的流态、管径雷诺数以及前端直管段长度对测量结果的准确度起至关重要的作用,在实践中应重点考虑这三个方面的要求。

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