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ABG儀表集團
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閱讀：1021發布時間：2013-5-22
1 研究背景及意義
天然氣是一種、清潔燃料和化工原料。天然氣流量計量是天然氣生產和使用中必須解決的一個重要問題。在企業生產和經營管理中流量計量是一項日常進行的重要的技術基礎工作。天然氣的準確計量不但能公平地進行貿易結算，而且能指導改進生產工藝，提高產品質量，降低產品生產成本，提高經濟效益和社會效益。作為吐哈油田運銷處天然氣輸氣工區在天然氣生產計量中選用的流量計儀表是孔板流量計。輸氣工區共使用孔板流量計15套，用以進站計量和外輸計量。天然氣輸氣工區的孔板流量計是由*第5719工廠生產的型可換孔板閥和北京遠東羅斯蒙特儀表公司生產的智能差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器以及流量顯示設備組成。
2 孔板流量計的計量原理及特征
2.1 孔板流量計的計量原理
孔板流量計是根據流體流動的節流原理，利用流體流經節流元件時在其前后產生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比關系來計量流量的。
2.1.1 差壓法測氣原理
充滿管道的流體，當它流經管道內節流設備（如孔板）時，流束將在節流設備處形成局部收縮，使部分壓能轉為動能，其結果使流速增加，靜壓降低，在節流設備前后產生了壓力降。對于一定型式、一定尺寸的節流設備來說，所產生的壓差與氣流量有關，流量越大，壓差也越大；流量減少，壓差也減小；流量為零，壓差也為零。因此，通過測量壓差的大小，就可間接地計量氣體流量，這種方法就稱差壓法測量氣體流量。
2.1.2 流束局部收縮和壓差的產生
在孔板前，連續流動著的流體將遇到孔板的阻擋。在管壁處的流體由于受孔板阻擋，阻力zui大，使流體速度降低，部分動能轉變成靜壓能，其結果使孔板入口端面接近管壁處的流體靜壓力升高。而管道中心流速zui大，靜壓zui低，使其在同一端面形成徑向壓力差，其結果將使流體質點在這一徑向壓差作用下產生一徑向加速度。在這一徑向速度作用下，靠近管壁處的流體質點以偏轉一個角度向孔口流動，形成了流束的局部收縮。
由于流體運動的慣性，流經節流設備后流體將繼續保持原來的流動方向，在孔板出口端面處形成一zui小收縮截面，此處流束截面zui小，流速達zui大，壓力zui低。此后，流束又逐漸擴大，壓力逐漸恢復升高，直到流體充滿整個管道，壓力恢復到zui大值。但孔板后的壓力并沒有恢復到原來的數值，兩者壓力之差，即為流體流經節流設備后所產生的壓力損失。此壓力損失主要是由流體流經節流設備后流束突然擴大所產生渦流呆滯現象所造成的。在孔板出口端面處，流速已比原來增大，靜壓力也就較原來低。即p1＞p2（p1、p2分別為孔板前后的壓力）。只要測量出p1、p2之差，就可計算出通過孔板氣體流量的大小。孔板流量計理論流量計算公式為：
式中：qν為工況下的體積流量，m3/s；C為流出因數，無量綱；β=d/D，無量綱；d為工況下孔板開孔直徑，mm；D為工況下上游管道內徑，mm；ε為可膨脹因數，無量綱；△p為孔板前后的差壓值，Pa；p1為工況下流體的密度，kg/m3。對于天然氣而言，在標準狀態下天然氣流量的實用計算公式為：
式中：qn為標準狀態下天然氣體積流量，m3/s；As為秒計量系數，視采用計量單位而定。此式As=3.1794×10-6；C為流出系數；E為漸近速度系數；d為工況下孔板開孔直徑，mm；FG為相對密度系數；ε為可膨脹系數；FZ為超壓縮因子；FT為流動溫度系數；P1為孔板上游側取壓孔氣流靜壓，MPa；△p為氣流流經孔板時產生的差壓，Pa。這種測量方式是以能量守衡和流動連續性方程為基礎的。孔板流量計就是通過節流設備產生差壓，通過引壓管將差壓信號傳遞給計由差壓變送器轉換為標準信號傳入主控室集散控制系統進行監控。
2.2 孔板閥
天然氣輸氣工區孔板流量計的主要部件孔板閥（采用型閥式孔板節流設備），主要用于差壓式流量計的信號的產生和傳輸，可實現在線更換孔板，不影響輸送介質，無附加管路；設備內有孔板安裝定位機構，標定準確度等級為0.5級；該設備設有上、下兩個密封腔，以及滑閥部件，無旁設附加管線，設備上、下腔間的密封件采用全硬密封結構，閥板和閥座采用22Cr堆焊硬質合金，設有注入密封脂輔助結構，可以防止閥座、閥板密封面上污物的沉淀；采用法蘭取壓標準孔板作為流量檢測元件。
2.3 計量誤差來源
孔板流量計在現場使用中還存在不少問題，由于新疆天氣溫差大，現場使用條件惡劣，節流設備與差壓變送器及其連接部分引壓管線、孔板片就是出現誤差和使用維護的重點。天然氣從地層中開采出來后，雖經分離、除塵和過濾，但節流設備在使用中也受到不同程度的腐蝕，特別對孔板直角入口邊緣和測量管內壁的沖刷、腐蝕尤為嚴重，這將影響孔板直角入口邊緣半徑和測量管內壁的相對粗糙的規定標準，流出系數將發生變化，流量測量不確定度超出估計數。以下便從孔板流量計的軟件問題和硬件問題兩方面作簡要分析。
2.3.1 孔板流量計的軟件問題產生的誤差
采用標準孔板流量計測量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等有關。實際運行流量值偏離設計流量值，這是現場zui常見也是我們zui關心的問題。在多數情況下，設計流量值定的都比較高，但實際運行流量值較低，簡要分析其原因主要有：
差壓變送器的可靠度是按引用誤差計量的。差壓計的誤差分布：若系統在50%以下運行，差壓計的相對誤差在+1%～+6%，對流量的影響+1%～+3%。同時由于雷諾數是流量值的函數，流量值偏離必定引起雷諾數的變化，這樣必然引起流出系數的變化。這些影響集中在一起，從而產生實際運行流量值偏離設計值。
介質溫度壓力偏離設計值，在節流設備設計計算時，對介質流體（包括氣體和液體）流量是設計工況下的質量流量，這特定條件包括的參數很多，主要是溫度和壓力參數。在這特定的條件（溫度、壓力等）下介質流體的密度是一定的，如果在實際運行時介質流體的溫度、壓力等主要參數值偏離設計值，介質流體的密度必然也會改變。而介質流體的密度改變，對流量值的影響是很直觀的。
為了工藝操作的方便，儀表指示值給出的是標準狀態下的體積流量，這是根據介質流體的密度換算出來的。而介質流體的密度改變使其換算關系也改變。兩種影響都會引起節流設備測量時的實際運行流量值偏離設計值。
2.3.2 孔板流量計硬件的問題產生的計量數據誤差
（1）孔板閥的問題。
孔板開孔不合適加工尺寸不符合設計要求。三閥組中的平衡閥關不嚴，有少量的泄漏致使氣體在引壓管中流動，減少了進變送器的差壓信號使儀表輸出偏低。檢查方法是將三閥組中的高低壓閥關閉。如果平衡閥有漏，則輸出會不停的緩慢下降，直至為零，否則儀表輸出應不變。安裝不妥造成的誤差。例如管線布置的偏離，管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的，其產生的主要原因是現場不能滿足直管段要求的長度；孔板倒裝使流量計示值下降。儀表本身產生的誤差。例如：孔板入口直角銳利度；孔板厚度誤差；節流件附件產生臺階、偏心；孔板上游端面平度；環室尺寸產生臺階、偏心；取壓位置；焊接、焊縫突出；取壓孔加工不規范或堵塞；節流件不同軸度。其他誤差。運銷處天然氣輸氣工區zui常見的誤差例如孔板彎曲（變形）；上游測量管沉積臟物；上游端面沉積臟物；孔板入口直角邊緣變鈍、破損；孔板被劃傷、密封圈損壞、長期使用管道腐蝕，這些硬件問題要相對容易發現和糾正，針對硬件問題天然氣輸氣工區制定了保養孔板的有效措施：定期對孔板進行檢查，維護保養，加注密封脂，及時更換相應部件。
（2）差壓變送器的問題。
差壓變送器高低壓導管接反。現場表現為差壓變送器的輸出不上升反而變為零下，可用以下兩種方法：一是改變檢測部件和傳送部件的相對位置和導壓管接口；二是改變正反作用接片位置。儀表引壓管堵塞，引起流量計儀表輸出變化緩慢，甚至不變。天然氣內含有固體懸浮顆粒或油污，時間久了，有的還會固化，引起引壓管堵塞，使測量無法正常進行。例如差壓變送器引壓管冬季凍堵（濕氣），引起計量不準確，天然氣輸氣工區針對這點，增設了電伴熱，保溫措施，定期排污。
3 結語
在進一步實現天然氣輸氣工區孔板流量計的準確計量、減少誤差，首先要加強管理、提高人員素質。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優點，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、磨損等造成的。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，減少計量誤差。其次測量儀表的正確選用也很重要。測量儀表應標準節流設備，當流量變化范圍大時要考慮用寬量程智能差壓變送器（天然氣輸氣工區現用的都是智能差壓變送器）。
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