引言

孔板流量計在 20 世紀(jì)使用于天然氣流量測量，經(jīng)過一個世紀(jì)漫長的發(fā)展過程，它已成為全世界最主要的天然氣流量計。目前我國天然氣計量專業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)為《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》(sy/t6143- 1996)[1]。

1 天然氣孔板流量計的組成

孔板流量計由產(chǎn)生壓差的一次裝置-孔板節(jié)流裝置和二次檢測儀表-差壓計、壓力計、溫度計和相關(guān)參數(shù)儀器儀表加信號引線等組成，如圖 1 所示。

2 天然氣孔板流量計適用條件

孔板流量計是以相似原理為根據(jù)，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時流量計，從一次裝置的幾何尺寸到流體流動狀態(tài)都有一定的要求。

2.1 一次裝置幾何尺寸限制條件

sy/t 6143—1996 要求：

孔板開孔直徑 d≥12.5mm;

測量管內(nèi)徑必須滿足 50mm≤d≤1000mm;

孔徑比必須滿足 0.20≤β≤0.75;

一次裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、裝配、安裝、檢驗和使用必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部技術(shù)要求。

2.2 氣質(zhì)和氣流狀態(tài)條件

sy/t6143- 1996 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，氣流必須是單相的牛頓流體，若氣體含有質(zhì)量成分不超過 2%的固體或液體微粒，且成均勻分散狀態(tài)，也可以認(rèn)為是單相的牛頓流體。

我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) sy/t 7514《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各種類別天然氣都適用。

2.3 流動狀態(tài)的要求

孔板流量計的流出系數(shù) c 是在特定的實驗室參比條件下，通過大量的實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計算方法，并通過實踐檢驗是正確的。同時，差壓式流量計算基本方程的推導(dǎo)也是基于這樣的假設(shè)流動條件下，偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流動狀態(tài)條件將會產(chǎn)生難以估計的流量測量不確定度。因此，氣流流動狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求：

(1) 天然氣通過孔板節(jié)流裝置的流動必須是亞音速的、穩(wěn)定的或僅隨時間緩慢變化的，無脈動流存在。

(2)天然氣流必須是單相的牛頓流體。

(3)天然氣流流進孔板以前，其流速必須是與管道軸線平行，對稱充分發(fā)展的速度分布剖面，無旋轉(zhuǎn)流存在。

(4)天然氣通過孔板節(jié)流裝置的流動，必須保持孔板下游靜壓與孔板上游靜壓之比不小于 0.75，管道雷諾數(shù)re≥5000(角接取壓)和管道雷諾數(shù) re≥1260β2d(法蘭取壓)。

因此，在選型設(shè)計時一定要配合計量站工藝參數(shù)仔細(xì)核算和流態(tài)分析，力爭達到最佳的流量測量效果。

3 準(zhǔn)確度要求和不確定度分析

3.1 流量計量準(zhǔn)確度的要求

國際法制計量組織(oiml)流量計量技術(shù)委員會的氣體計量分委員會于 1997 年制定了“氣體燃料計量系統(tǒng)”國際建議。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會起草了歐共體標(biāo)準(zhǔn) pren1776 “天然氣計量系統(tǒng)的基本要求”[3]。它們都是為提高和確保天然氣計量準(zhǔn)確度而對輸配計量站的設(shè)計、建設(shè)、投產(chǎn)、操作和維修等方面提出的基本技術(shù)要求。

國際建議中將計量站分為 a、b、c 三個等級，對不同的流量規(guī)模配備的二次測量儀表要求不同。該建議適用于流量等于或大于 100m3/h，運行壓力不低于 0.2mpa 的情況。它對熱值測量、測溫、測壓、取樣以及包括指示、打印、存儲、轉(zhuǎn)換和積算等系統(tǒng)部件或設(shè)備都作了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定。表 1 為測量儀表和計算結(jié)果的最大允許誤差(準(zhǔn)確度)。

3.2 孔板流量計不確定度變化范圍分析標(biāo)準(zhǔn) iso 5167、gb/t2624- 93、sy/t6143—1996, 以及 aga no3 報告估算流量測量不確定度公式都是相同的，估算的方法大同小異，其不確定度值大致相等，結(jié)論大體一致，如圖 2 所示。

3.2.1 一次裝置不確定度變化分析

流出系數(shù)不確定度變化當(dāng)直管段長度符合 sy/t6143—1996 的規(guī)定的數(shù)值 a(表 2 中不帶括號中的數(shù)值)，圓度滿足不大于±0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)孔板開孔軸線與上下游測量管軸線之間的距離為 ex：

則流出系數(shù)不確定度δc/c 只隨 β 值的不同而不同。

此時，當(dāng)β ≤0.6 時，則 δc/c=±0.6% ;當(dāng) β>0.60 時，則δc/c=±β%[2]。

3.2.2 天然氣物性測量不確定度變化分析

(1)天然氣可膨脹性系數(shù)不確定度的估算a.天然氣可膨脹性系數(shù)的不確定度

δε/ε=±4(δp/p1)%

它與孔板流量計實測差壓δp 成正比，與靜壓 p1 成反比。

目前在天然氣計量中差壓值一般在 50000pa 之內(nèi)，靜壓在 1~10mpa 范圍內(nèi)，因此 δε/ε 最小為±0.00002%，最大為±0.2%或更大[4]。

b.當(dāng)上游或下游直管段長度小于該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定數(shù)值 a(表 1 中不帶括號中的數(shù)值)，又等于或大于數(shù)值(表 1 中帶括號中的數(shù)值)時，則應(yīng)在流出系數(shù)不確定度上相加±0.5%的附加不確定度。

c. 當(dāng)在上游直管段長度范圍內(nèi)的任何臺階超過±0.3%圓度要求，但符合下列公式時，應(yīng)在流出系數(shù)不確定度上相加±0.2%的附加不確定度。

d. 當(dāng)孔板開孔軸線與上下游測量管軸線之間的距離ex不滿足公式(1)，但滿足(2)，則應(yīng)在流出系數(shù)不確定度上算術(shù)相加±0.3%的附加不確定度。e. 當(dāng)孔板入口直角邊緣的尖銳度 rk的單測值與平均值比較，最大偏差在±20%以內(nèi)時，則在流出系數(shù)不確定度上幾何相加±0.2%的不確定度。

(2)天然氣密度測量不確定度 δρ/ρ 的估算

根據(jù)目前現(xiàn)場常用儀表的使用范圍，所遵守的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范進行具體計算綜合考慮，在不考慮取氣樣的間隔時間內(nèi)由于天然氣組分變化(或波動)所引起的附加不確定度時，天然氣密度測量的不確定度δρ/ρ 最小為±1.013%，最大為±1.571%或更大。

由(1)和(2)兩項組成天然氣物性測量不確定度的變化為：最小為±1.013%，最大為±1.584%或更大。

4 結(jié)束語

孔板天然氣流量測量的總不確定度，實際上就是測量系統(tǒng)的測量值與真值比較，置信概率為 95%的準(zhǔn)確度。根據(jù)目前天然氣流量測量系統(tǒng)經(jīng)常貫用的二次儀表和測量值的計算積算方法，按 sy/t6143—1996 標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)條款規(guī)定和所列公式進行估算，得知天然氣流量測量的總不確定度δqn/qn最小為±0.82%，最大為±4.52%或更大。由此分析，可知國際建議的 a、b、c 三級分別定級為 1.0%、2.0%和 3.0%。

參考文獻

[1] 馮磊.淺談流量儀表的合理選型對能耗的分析與應(yīng)用.中國儀器儀表,2009(7).

[2] 鐘水清.天然氣計量有關(guān)公式剖析.鉆采工藝, 2004(6).

[3] 王東.差壓式孔板流量計的誤差來源與控制對策.天然氣工業(yè),2004(10).

[4] 宋艾玲. 差壓式孔板流量計計量不準(zhǔn)確度分析. 鉆采工藝,2006(2).