摘 要

摘　要：本文根據(jù)我國天然氣流量計量儀表的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)孔板流量計和渦輪流量計的特點及存在問題，通過理論分析及實踐的討論，提出了采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計計量天然氣流量的方案，介

摘　要：本文根據(jù)我國天然氣流量計量儀表的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)孔板流量計和渦輪流量計的特點及存在問題，通過理論分析及實踐的討論，提出了采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計計量天然氣流量的方案，介紹制定《用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計測量天然氣流量》國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)情況，為我國天然氣流量計量提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)　天然氣流量計量　一體化噴嘴流量計　寬量程　定值節(jié)流件

1　問題的提出

隨著我國西氣東輸一、二、三期的建設(shè)及境外天然氣輸氣管線建設(shè)的推進，我國天然氣用量不斷增長，輸氣管網(wǎng)日趨擴大、不同類型的配套流量計需求增加；終端用戶有工礦企業(yè)、商業(yè)及民用用戶，情況十分復(fù)雜，需求多種多樣。如此量大面廣的用戶，流量計的選型就顯得特別重要，不僅要考慮儀表計量準(zhǔn)確度等技術(shù)要求，還要考慮儀表的維護與校驗的工作量及成本。據(jù)國際儀表權(quán)威機構(gòu)綜合分析，天然氣輸氣管線流量儀表應(yīng)為3大主力儀表：孔板流量計，渦輪流量計和氣體超聲流量計。理論分析和實踐證明，這3種儀表各項性能指標(biāo)各有優(yōu)劣，由于氣體超聲波流量計多用于輸氣門站的大流量計量，其用量相對較少，不在此討論。本文僅對孔板流量計和渦輪流量汁儀表性能指標(biāo)比較，根據(jù)GB／Tl 8603—2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》，提出天然氣流量計量儀表若干選型原則，結(jié)合我國國情，向天然氣工業(yè)用戶、城市燃氣網(wǎng)中的商業(yè)用戶，推薦采用具有檢定周期長(4年)、維護量小、測量范圍寬的新型標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計測量天然氣流量，與此同時推進相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

2　歷史的回顧

長期以來，孔板流量計為天然氣輸氣管線上的主要流量計，20世紀(jì)70年代后，渦輪流量計成為僅次于孔板流量計的主力儀表，只是在本世紀(jì)初，氣體超聲流量計才在國際上推廣?？装濉u輪流量計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范已經(jīng)成熟，而氣體超聲流量計的國際標(biāo)準(zhǔn)尚在擬議中。由此可見，我國天然氣流量計量應(yīng)該選用孔板和渦輪作為主要儀表。

孔板流量計在天然氣流量測量中的應(yīng)用已有一百多年歷史，可以不夸張地說，正是天然氣流量測量才使孔板流量計達到今天的技術(shù)成熟，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范豐富，奠定了作為第一大類流量計的地位。20世紀(jì)70年代以前，孔板流量計己發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)型流量計，其特點有三：(1)結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)化；(2)標(biāo)準(zhǔn)給出節(jié)流件的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)及計算公式；(3)現(xiàn)場影響量的試驗廣泛深入，是國際上通用的。正是借助這些特點引出兩大使用特性：(1)節(jié)流件無須實流校準(zhǔn)，可根據(jù)節(jié)流件結(jié)構(gòu)形狀及技術(shù)要求以及流體特性求得流量與信號的關(guān)系及其測量不確定度；(2)流量計投剛現(xiàn)場后，如果使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可利用影響量試驗研究資料進行修正(或補償)。，孔板流量計作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置第一品種，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在ISO5 167：2003(E)及AGAN03(HNSl／APl2530)中詳細列舉，在全部流量計中，它的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范是最豐富、最完善的，目前其它已有國際標(biāo)準(zhǔn)的流量計，如渦輪、電磁、渦街、質(zhì)量等都沒有上述3個特點，因此，亦不具有兩大使用特性。近年(20世紀(jì)90年代后)，由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)、新材料、新工藝的突破性進展，新型流量計(渦輪、渦街、電磁、超聲、質(zhì)量)有長足發(fā)展，在市場激烈競爭中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計市場份額有所下降，此類流量計的缺點成為人們評價重點，如：測量準(zhǔn)確度不高、范圍度窄、壓損大、安裝條件苛刻、故障多等等，使標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計似有被邊緣化危機。針對上述缺點，技術(shù)工作者經(jīng)過長期的改進與創(chuàng)新，并借助二次儀表(差壓變送器和流量計算機)的突破性進展，使全套標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計性能煥然一新，準(zhǔn)確度可以滿足《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》GB／Tl 8603—2001 A級(1.0)和《用能單位能源計量器具配備和管理通則》GBl7167—2006天然氣(2.0)的規(guī)定，范圍度達6：1～15：1或更寬；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為一體化，消除安裝瓶頸，故障大幅下降；壓損大可考慮除孑L板外的噴嘴或文丘里管等節(jié)流件，己有業(yè)內(nèi)人士建議應(yīng)重新審視此類流量計，給予其正確的評價。

在美國和歐洲渦輪流量計是僅次于孔板流量計占第二位的天然氣流量計，渦輪流量計的主要特點為：高準(zhǔn)確度，一般為±1％R～±l.5％R，特殊專用的為±0.5％R～±l.0％R；高重復(fù)性，短期重復(fù)性可達±0.05％～±0.2％，正是由于良好的重復(fù)性，若經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)，可獲得高準(zhǔn)確度。范同度寬，中大口徑10：1～40：1，小口徑5：1～6：1。結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大。應(yīng)該指出，上述優(yōu)良特性只在實驗室參比工作條件下方能維持。在現(xiàn)場渦輪流量計是一種易受現(xiàn)場影響量干擾的流量討，現(xiàn)場影響量主要為兩項：流動特性和流體物性。流體流動特性影響主要是流體受管道配件(阻流件)干擾而引起的速度分布畸變和渦流等，其它為非定常流于擾(脈動流等)。流體物性又分為流體物性(物理性質(zhì))和流體性狀，流體物性主要影響因素為密度和粘度，對于天然氣應(yīng)特別注意密度的變化，密度影響在低流量區(qū)域較大，若密度低(壓力下降)，下限流量升高，亦即范圍度變窄，線性度變差。在常壓空氣中校準(zhǔn)的渦輪流量計應(yīng)通過相關(guān)公式進行換算。流體性狀指腐蝕、積垢、臟污、凍結(jié)、相變、混相等，它會改變管道壁粗糙度，流通面積，渦輪葉片及通道狀況，流量計特性隨之改變，不再維持實驗室校準(zhǔn)的特性，給流量計的正常工作帶來惡劣影響，一般應(yīng)增設(shè)過濾器，周期檢查及校準(zhǔn)等才能正常工作。應(yīng)該指出我國天然氣流量計量儀表數(shù)量十分龐大，需要定期檢定的儀表以數(shù)十萬臺計，而我國天然氣實流標(biāo)準(zhǔn)裝置每年僅可標(biāo)定千余臺的儀表，遠不能滿足實際需求。因此，保證每臺儀表的正常校準(zhǔn)是一個現(xiàn)實又迫切的問題。

由上述孔板流量計和渦輪流量計的簡述中我們可發(fā)現(xiàn)它們有以下一些差別。

(1)孔板流量計具有流量儀表標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的3項特征，因此，其結(jié)構(gòu)及應(yīng)用是全世界通用的。渦輪流量計不是標(biāo)準(zhǔn)檢測件，產(chǎn)品性能隨企業(yè)而異，由此孔板流量計的兩大使用特性渦輪流量計并不具備。渦輪流量計必須逐臺校準(zhǔn)以得到儀表系數(shù)，現(xiàn)場影響量的修正，孔板流量計可采用全世界流量界積累的豐富資料，而渦輪流量計只能依靠個別企業(yè)指導(dǎo)文件進行，兩者的差別不可同日而語。

(2)孔板流量計在測量準(zhǔn)確度、范同度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝等方面已有突破性進展，可以滿足GB／T1 8603—2001和GBl7167—2006等國家法定規(guī)定的要求。因渦輪流量計的儀表特性是在有條件場所才能保證，一般而言，在輸配氣(門)站配備專用設(shè)備和專業(yè)人員來滿足其要求，而普通用戶不具備這些條件，定期的維護和檢定亦存在實際網(wǎng)難。

3　噴嘴流量計

3．1　噴嘴流量計的優(yōu)勢

在節(jié)流式流量計使用巾一般總是優(yōu)先選用孔板流量計，其實，在一個時期內(nèi)，孔板流量計成為了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的代表，其它標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件如：ISAl932噴嘴(以下簡稱噴嘴)、文丘里管等未引起足夠的重視(早期噴嘴類的產(chǎn)品受到了加工工藝的限制)，使其特有的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮。因此，我們更應(yīng)重視噴嘴流量計的應(yīng)用。它具有孔板流量計的優(yōu)點，但又因噴嘴為廓形節(jié)流件，無尖銳棱角，結(jié)構(gòu)形狀耐高流速沖擊與磨損，故其流量特性能保持長期穩(wěn)定，無孔板銳緣鈍化之虞，因而檢定周期長(4年)，且壓損小。所以，噴嘴應(yīng)是LLTL板更優(yōu)越的節(jié)流件。

近年來，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計在其它領(lǐng)域(蒸汽和通用氣體計量)得到廣泛的應(yīng)用，其工藝與結(jié)構(gòu)更為成熟，同時也積累豐富的使用經(jīng)驗。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會已于2012年批準(zhǔn)制定《用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計測量天然氣流量》國家標(biāo)準(zhǔn)，計劃號為20121951-T-515。該標(biāo)準(zhǔn)將參考《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》GB／T21446—2008等現(xiàn)行的同家標(biāo)準(zhǔn)，針對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的結(jié)構(gòu)特點，對其制造、檢驗、安裝及使用等做出規(guī)定。

3．2　定值噴嘴流量計

噴嘴流量計應(yīng)用較少的一個重要原因是其廓形加工工藝復(fù)雜，一只噴嘴應(yīng)準(zhǔn)備數(shù)塊模板，作為保證加工準(zhǔn)確度及檢驗用。

為使節(jié)流件商品化，多年前，一些專家就提出了定值節(jié)流件的創(chuàng)意，所謂定值節(jié)流件就是在一個管道公稱口徑下僅制造3種節(jié)流孔徑的節(jié)流件(b=0.4、0.5、0.6)，這樣定值噴嘴如同標(biāo)準(zhǔn)機械零件一樣，可以形成批量生產(chǎn)，不僅易于保證加工精度，降低成本，也便于計量管理和計量監(jiān)督。

還有一個值得重視的問題，就是目前使用的大量的孔板及噴嘴，其直管段長度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且在10D范圍內(nèi)，同心度、不圓度、粗糙度也不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，引起較大的附加誤差，因此，帶上經(jīng)過精細加工的直管段是很有必要的。

3．3　不確定度分析

采用噴嘴流量計計量天然氣，其計量的不確定度是多少?這是大家關(guān)心的問題。確定流量測量不確定度可在天然氣實流標(biāo)準(zhǔn)裝置實標(biāo)，由于我國這類裝置很少，難以滿足大量檢定的需求，所以，不在重點考慮之列。現(xiàn)對以下兩種方案做一介紹。

方案l：

按GB／T2624—2006.3計算噴嘴的流出系數(shù)及可膨脹系數(shù)，按GB／T21446—2008(或SY／T6143—2004)計算天然氣的密度，其不確定度為

 

現(xiàn)分析各項誤差

(1)

 

若節(jié)流孔徑比b≤0.6則該項的不確定應(yīng)為0.8％

(2)

 

按GB／T2624—2006中噴嘴的計算公式其不確定度為

 

若要使

 

只需

 

這是很容易做到的，例如壓力(絕壓)為0.2MPa，只需保證存最大流量下，差壓值小于l0000Pa即可。

(3)管徑及開孔徑所帶來的不確定度，可以通過精確測量，使其降至可忽略程度。

(4)

 

根據(jù)GB／T21446—2008，提供的換算公式，將變送器的滿度誤差換算為示值誤差

 

式中：

z：變送器精度等級

DPk：變送器量程

DPk：差壓示值

例如：變送器精度等級為0.075(即誤差為0.075％)，差壓測量范圍為l：36，則：

 

(5)

 

根據(jù)GB／T21446—2008

 

式中：

 

天然氣相對密度測量不確定度為0.3％

 

壓縮系數(shù)不確定度，按GB／Gl7747.2—1999計算，其值為0.1％

 

設(shè)t南-20℃到80℃，溫度變送器量程為-20℃～100℃，精度等級0.5

根據(jù)GB／T21 446—2008

 

 

設(shè)壓力變化范圍為l：3，根據(jù)GB／T21446—2008

 

存差測量范圍為l：36條件下．天然氣流量測量不確定度為

 

就是說：用一臺差壓變送器，量程范圍1：36，則流量量程范圍為l：6時，流量系統(tǒng)不確定度等級達到1.5級。若用兩臺差壓變送器，則可使流量量程范圍達l：36。

方案2：

在水標(biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定出噴嘴的流出系數(shù)，而可膨脹系數(shù)按GB／T2624—2006計算。

現(xiàn)逐項分析誤差的大小

(1)

 

若水系統(tǒng)不確定度等級為0.1級，則該項的不確定應(yīng)為0.3％。

(2)其余各項不確定度與方案1相同

在差壓測量范圍為l：36條件下，天然氣流量測量不確定度為

 

就是說，用水系統(tǒng)標(biāo)定出流出系數(shù)，則流量測量范圍為1：6時，流量不確定度等級為1級，若用兩臺差壓變送器，流量測量范圍為1：36。

4　結(jié)論

從以上分析可得出結(jié)論，在嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)加工、安裝、使用的基礎(chǔ)上，引入定值節(jié)流件和必要的技術(shù)(寬測量范罔運算，變送器數(shù)字通訊等)手段，噴嘴流量計完全可以滿足天然氣流量計量包括準(zhǔn)確度在內(nèi)各項技術(shù)要求，由于這種儀表的結(jié)構(gòu)牢同、檢定周期長，在減少維護量的同時，大大減少運行成本；具有較好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，有理由認(rèn)為它可以作為計量天然氣流量的重點選型儀表之一。這不僅已是專業(yè)人員的共識，也將成為廣大用戶的共識。

 

參考文獻

1GB／T 21446—2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量

2GB／T 2624—2006用安裝在允滿流體的圖形截面管道中的差壓裝置測量流量

3GB／T l7747—1999天然氣壓縮因子的計算

4GB／T 18603—2001天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求

 

本文作者：周國祥　孫淮清

作者單位：北京博思達新世紀(jì)測控技術(shù)有限公司

重慶自動化儀表研究所