孔板流量計(jì)計(jì)量存在的問題及措施
 【摘要】隨著世界石油天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展, 天然氣貿(mào)易的頻繁, 對天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量要求越來越高。目前國內(nèi)孔板流量計(jì)在國內(nèi)占.... .. 以上, 而影響該流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的因素很多。本文將從流體特性、儀表性能要求、安裝要求、環(huán)境條件方面闡述是如何影響計(jì)量準(zhǔn)確度的, 以及解決或減少這些影響因素的措施。
  前言
   天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比例不斷上升, 據(jù)統(tǒng)計(jì)1970 年為17 .7% , 1 9 8 0 年為18 .8% , 1 9 9 0 年為2 1.5% , 2 0 0 0 年為22 .3% , 預(yù)計(jì)20 10 年為24 .3% 。目前天然氣的年產(chǎn)量已達(dá)到2 .3 萬億m , 左右。天然氣的產(chǎn)區(qū)與其消費(fèi)地區(qū)之間的距離就決定了此項(xiàng)能源的貿(mào)易量甚大, 20 世紀(jì)90 年代以來此數(shù)字不斷上升, 現(xiàn)已達(dá)到420 億m 3/ 年, 其中75 % 以上由管道輸送的, 其余則為液化天然氣。我國是天然氣資源豐富的國家之一, 天然氣遠(yuǎn)景儲量約達(dá)38 萬億m , , 其中陸上占79 % , 海上占2 1% 。天然氣的生產(chǎn)、利用過程是一個(gè)流程復(fù)雜、規(guī)模大、速度快且連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中, 無論是在井場、集氣站、配氣站, 還是在使用者家庭都可見到用于不同目的的各種流量測量儀表。其計(jì)量的準(zhǔn)確與否受到人們的普遍重視。因此計(jì)量的準(zhǔn)確度是選擇任何類型的流量計(jì)都必須考慮的重要指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中, 影響流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的因素很多, 下面就幾個(gè)方面進(jìn)行論述。
  1 目前孔板流量計(jì)計(jì)量中存在的問題流量計(jì)量儀表品種多, 計(jì)算模型五花八門, 如標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、漩渦流量計(jì)、超聲流量計(jì)等, 除了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)外, 缺乏必要的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范支持。
   孔板流量計(jì)在2 0 世紀(jì)初即使用于天然氣流量測量, 經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)漫長的發(fā)展過程, 它已成為*zui主要的天然氣流量計(jì), 據(jù)估計(jì), 目前在國外它約占60% , 而在國內(nèi)占90 % 以上。美國A G A （美國氣體協(xié)會） 3 號報(bào)告（孔板流量計(jì)計(jì)量天然氣及其它烴類流體） 就是針對天然氣計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn), 從19 5 5 年發(fā)布起已經(jīng)過多次修訂（19 5 5 年*版, 1 9 6 9 年*版修訂, 1 9 8 5 年第二版, 1 9 9 0 一1 9 9 2 年第三版, 2 0 0 0 年第四版） , 尤其是第三版有實(shí)質(zhì)性的修訂, 它是在80 年代上對孔板流量計(jì)進(jìn)行大規(guī)模研究試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的, A G A N 0 3 總結(jié)了幾十項(xiàng)針對天然氣計(jì)量的專項(xiàng)研究, 其中大部分的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)就是天然氣, 可以說用孔板流量計(jì)測量天然氣流量已經(jīng)進(jìn)行過非常深人細(xì)致的研究試驗(yàn), 積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)亦很豐富, 在量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍, 其標(biāo)志就是標(biāo)準(zhǔn)化, 即使用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì), 可以無須實(shí)校準(zhǔn)而確定信號（差壓） 與流量的關(guān)系,并估算其測量誤差, 目前在全部流量計(jì)中它亦是*達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的。
   孔板流量計(jì)的主要特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制, 簡單牢固, 性能穩(wěn)定可靠, 使用期限長, 價(jià)格低廉等, 整套流量計(jì)由節(jié)流裝置, 差壓變送器和流量顯示儀（或流量計(jì)算機(jī)） 組成。它們可以分別由不同廠家生產(chǎn), 易于形成規(guī)模生產(chǎn), 經(jīng)濟(jì)效益高, 各部分組合非常靈活, 即使目前推出的一體化孔板流量計(jì), 亦可分開生產(chǎn), 再靈活組裝。
   但是孔板流量計(jì)一般由三部分組成: 節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀。在現(xiàn)場惡劣的工作條件下, 節(jié)流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線是使用維護(hù)的重點(diǎn)?！短烊粴饬髁康臉?biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法）（ S Y / 61 43 一1 9 96 ）中指出, 天然氣從地層中開采出來, 雖經(jīng)分離, 除塵和過濾, 因其所含成份十分復(fù)雜, 從單井計(jì)算, 集氣計(jì)量到配氣計(jì)量, 氣體組分各不相同, 所以節(jié)流裝置在使用中所受到的腐蝕亦各不同. 特別對孔板直角人口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷、腐蝕尤為嚴(yán)重, 這將影響孔板直角入口邊緣弧半徑rk 和測量管內(nèi)壁的相對粗糙k / d 的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn), 流出系數(shù)c 將發(fā)生變化, 流量測量不確定度超出估計(jì)數(shù)。輸出信號為模擬信號, 重復(fù)性不高, 對整套流量計(jì)的度影響因素多且錯(cuò)綜復(fù)雜, 因此度提高的難度很大。
  1- 1 被測流體特性的影響
   由于天然氣本身的性質(zhì), 會隨著外界環(huán)境溫度的變化而發(fā)生復(fù)雜的變化, 從而影響流量計(jì)的測量精度。對于天然氣的測量, 必須首先確定天然氣的工作溫度和壓力, 因?yàn)橥饨鐪囟鹊淖兓? 會使天然氣本身的壓力和溫度也發(fā)生變化, 都有可能造成過大的密度變化和壓縮系數(shù)變化。低密度氣體對某些測量方法呈現(xiàn)困難, 此時(shí)就要改變所選擇的測量方法, 或者作溫度和（或）壓力修正, 以保證測量準(zhǔn)確準(zhǔn)確度。因此在評估流量計(jì)的適應(yīng)性時(shí), 要掌握氣體的溫度一粘度特性。雖然氣體的粘度因溫度和壓力變化的值一般較低, 但是對流量計(jì)量的度還是有一定的影響。
   在礦場計(jì)量中或測量含有雜質(zhì)的天然氣時(shí), 雜質(zhì)會腐蝕儀表接觸件, 使接觸表面結(jié)垢或析出結(jié)晶, 將減少活動部件的間隙, 從而改變流量計(jì)使用性能參數(shù), 降低敏感元件的靈敏度或測量性能, 影響計(jì)量精度。
   對于油田溫氣（伴生氣） , 其中含有大量的飽和水蒸氣, 在溫度降低時(shí)會有水凝結(jié); 分離不凈的濕氣含有油滴或油污, 屬于臟污介質(zhì); 間斷計(jì)量, 將有油、水沉積在管線內(nèi); 它們屬于多組分流動, 計(jì)量時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎對待I’〕。經(jīng)驗(yàn)表明, 單相通用流量儀表用于多組分或多相流體, 測量性能會改變（或大幅度改變）。單相流動的氣體有時(shí)也會呈現(xiàn)雙相, 例如濕氣中水微粒隨著天然氣流動, 環(huán)境溫度或天然氣壓力偏離原定狀態(tài), 儀表就有可能不適應(yīng)。測量氣液雙相流時(shí)盡可能采用分離后分相測量, 以保證zui小測量不確定度, 然而對有些場合這種方法不切實(shí)可行或不符合要求[2J 。
  1 . 2 儀表性能的影響
   孔板流量計(jì)本身引起的誤差原因主要有: 孔板人口直角銳利度; 管徑尺寸與計(jì)算不符; 孔板厚度誤羞節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏J以孔板上游端面平度; 環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心; 取壓位置; 焊接、焊縫突出; 取壓孔加工不規(guī)范或堵塞; 節(jié)流件不同軸度等等。這些因素都有可能影響孔板的重復(fù)性, 重復(fù)性是由儀器本身原理與制造質(zhì)量所決定, 它在過程控制應(yīng)用中是重要的指標(biāo)。而度除取決于重復(fù)性外, 尚與量值標(biāo)定系統(tǒng)有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中, 儀表優(yōu)良的重復(fù)性被許多因素包括流體粘度、密度等變化所干擾, 都會影響測量精度。若儀表輸出特性是非線性的, 貝l}這種影響更為突出。流量儀表輸出主要有線性和平方根非線性兩種。大部分流量儀表的非線性誤差不列出單獨(dú)指標(biāo), 而包含在基本誤差內(nèi)。然而對于寬流量范圍脈沖輸出用作總量積算的儀表, 線性度是一個(gè)重要指標(biāo), 使有可能在流量范圍內(nèi)用同一個(gè)儀表常數(shù), 線性度差就要降低儀表度。應(yīng)用于脈動流動場所應(yīng)注意儀表對流動階躍變化的響應(yīng)。有些使用場所要求儀表輸出跟隨流動變化, 而另一些為獲得綜合平均只要求有較慢響應(yīng)的輸出。瞬態(tài)響應(yīng)（tra ns ien t resp onse ） 常以時(shí)j’ed 常數(shù)或響應(yīng)頻率表示, 其值前者從幾毫秒到幾秒, 后者在數(shù)百赫茲以下, 配用顯示儀表可能相當(dāng)大地延長響應(yīng)時(shí)間。R ed m e 沮oc 認(rèn)為儀表的流量上升和下降動態(tài)響應(yīng)不對稱會急劇增加測量誤差[3l 。
  1 . 3 流量計(jì)安裝的影響
   管線布置的偏離, 管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的, 其產(chǎn)生的主要原因是現(xiàn)場不能滿足直管段要求的長度。
   天然氣流量計(jì)只有安裝到管道上才能對天然氣進(jìn)行計(jì)量, 在安裝時(shí)首先應(yīng)考慮管道的布置和天然氣的流動方向, 有些雖然是能雙向工作的儀表, 在安裝時(shí)也要考慮正向和反向之間測量性能是否存在差異。
   許多現(xiàn)場不能滿足孔板流量計(jì)直管段要求的長度, 管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性存在的。
   大部分流量計(jì)儀表或多或少會受進(jìn)口流動狀況的影響, 因而必須保證良好流動狀況。輸送管道上安裝的定排量泵、往復(fù)式壓縮機(jī)、振蕩著的閥或調(diào)節(jié)器等都是常見的脈動源, 上游管道布置和阻流件會引起流動擾動, 另外管道直徑上和方向上的急劇改變等不良布置, 都會產(chǎn)生脈動。流量計(jì)來不及跟隨記錄脈動流動, 帶來測量誤差。因此應(yīng)考慮在儀表前后管道安裝支撐件。雖然脈動緩沖器可清除或減小泵或壓縮機(jī)的影響, 然而流量計(jì)還是盡可能避開振動或振動源為好[3] 。流量計(jì)的信號輸出顯示有流量（體積流量或質(zhì)量流量）、總量、平均流速、點(diǎn)流速幾種, 亦可分為模擬量（電流或電壓） 和脈沖量。目前大部分儀表系統(tǒng), 在儀表上或其附近結(jié)合著電子設(shè)備。儀表（設(shè)備） 的輸出信號容易受大功率電源影響, 大功率電源不僅會使儀表輸出脈沖波動, 還會影響儀表工作性能, 如電磁流量計(jì)的磁場被畸變, 影響測量精度。因此電氣連接應(yīng)有抗雜散電平干擾的能力, 并且信號電纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離電力電纜和電力源, 將電磁干擾和射頻干擾降至zui低水平, 否則將影響信號的傳輸。另外流量計(jì)的安裝除了考慮以上的幾點(diǎn)因素, 有時(shí)安裝還取決于流體物性。
   1 . 4 環(huán)境條件方面的影響
    雖然流量計(jì)安裝能正常使用了, 但因所使用環(huán)境條件與預(yù)期的情況發(fā)生了改變, 使儀表的一些性能參數(shù)和硬件方面也隨之發(fā)生了改變, 從而會改變流量計(jì)測量結(jié)果。例如: 環(huán)境溫度或介質(zhì)溫度的急劇變化引起濕度方面的問題。高濕度會加速大氣腐蝕和電解腐蝕并降低電氣絕緣, 低濕度則容易感生靜電。儀表的電子部件和某些儀表流量檢測部分會受環(huán)境溫度變化影響。例如, 儀表尺寸變化, 通過儀表殼體傳熱改變流體密度和粘度等, 影響到顯示儀表電子元件時(shí), 將降低測量準(zhǔn)確度。同時(shí)影響孔板流量計(jì)計(jì)量的因素還有氣體雷諾數(shù)范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、管道粗糙度影響, 管道粗糙度增加, 管道粗糙度變化不定等等。
   2 解決孔板流量計(jì)計(jì)量問題的途徑
  2 .1 加強(qiáng)管理, 提高人員素質(zhì)[4l 
   孔板流量計(jì)易于偏離標(biāo)準(zhǔn)的原因在于儀表本身的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 儀器自身誤差是制造時(shí)產(chǎn)生的, 安裝和使用誤差則是在安裝時(shí)或長期使用中由于流體介質(zhì)腐蝕、磨損、沽污等造成的。因此, 應(yīng)嚴(yán)格按技術(shù)要求安裝流量計(jì)量系統(tǒng), 消除安裝誤差。在使用過程中, 操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護(hù)、保養(yǎng)工作, 延長其使用壽命, 減小計(jì)量誤差。同時(shí), 在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)強(qiáng)化宣貫S Y / T 6 143 一1 9 % 標(biāo)準(zhǔn)力度。《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法》（S Y / 6 143 一1 9 9 6） 中提到了減少誤差的方法。如附錄《節(jié)流安置在使用中出現(xiàn)部分偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理》中規(guī)定在實(shí)際應(yīng)用中采取在流出系數(shù)c 中增加二個(gè)修正系數(shù), 即孑L板人口尖銳度修正系數(shù)和管壁粗糙修正系數(shù)或者采用可換孔板節(jié)流裝置。因此在天然氣計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)深人研究, 吃透《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法）（ S Y / T 61 43 一1 9 9 6） 的精髓, 嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安裝、使用、處理數(shù)據(jù), 保證天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確。險(xiǎn)。
  2 . 2 測量儀表的正確選用
  測量儀表應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置, 當(dāng)流量變化范圍大時(shí)要考慮用寬量程智能差變, 其它類型檢測儀表在相應(yīng)的計(jì)量天然氣的標(biāo)準(zhǔn)出前臺, 應(yīng)慎重選用, 二次儀表的計(jì)量模型應(yīng)符合S Y / T 6 143 一1 9 % 的要求計(jì)算F z 能輸入組份, 實(shí)時(shí)計(jì)算c 值。
  2 . 3 加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn), 借鑒國外經(jīng)驗(yàn)
   引進(jìn)、消化、吸收近幾年發(fā)展起來的天然氣計(jì)量新技術(shù)。從國外情況來看, 在天然氣貿(mào)易中, 能量計(jì)量幾乎已全面取代傳統(tǒng)的體積計(jì)量, 而我國的天然氣計(jì)量領(lǐng)域中體積計(jì)量仍占統(tǒng)制地位。為了盡快與接軌, 使用單位可以與各科研究院所聯(lián)合攻關(guān), 開展天然氣能量計(jì)量的試驗(yàn)工作, 并在此基礎(chǔ)上完成標(biāo)準(zhǔn)化。為了加快試驗(yàn)進(jìn)度, 建議引進(jìn)*的在線氣相氣色譜系統(tǒng)和流量計(jì)算機(jī), 在消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展適合我國國情的天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)。