目前仍是我國進行天然氣流量計量的主導流量計, 截至 2004 年 7 月長慶氣田應用該型流量計總量近 300 套。SY/ T 6143-1996“天然氣流量的標準孔板計量方法”標準中認為, 天然氣流量測量不確定度主要由 3 個方面引起:流量計算方程描述流動狀態真實性的不確定因素;被測介質實際物理性質的不確定度因素;測量中重要設備的不確定度因素。 為此, 文章從以上 3 個方面對差壓式孔板流量計進行了不確定度研究和實驗, 包括流出系數、孔板技術指標的變化對天然氣流量的影響, 可膨脹系數、二次儀表的不確定度、天然氣組分變化、天然氣含水對天然氣流量的影響, 并就這些誤差因素分別從節流裝置的選擇、脈動流的改善、規范各項規章制度、建立量值溯源體系等方面提出了建議。

差壓式孔板流量計誤差控制|孔板流量計計算公式安裝要求

  我國天然氣流量計量目前仍以差壓式孔板流量計為主 ,僅長慶氣田目前就有近 300 套。由于孔板流量計的誤差影響因素較多, 往往造成計量不確定度增大。筆者通過在長慶氣田近幾年的使用與研究, 在孔板流量計的誤差研究方面積累了一些使用經驗 ,提出了相應的對策予以改善或消除, 以期對同行有所裨益。

一 、誤差來源分析：
  天然氣流量測量中的不確定度主要來源于以下3 個方面 :①流量計算方程中描述流體流動狀態的真實性不確定度因素;②被測介質實際物理性質(物性因素)的不確定度因素;③測量中重要設備的不確定度因素。
針對以上 3 方面因素做具體分析如下。
  1 .流量計算方程中描述流體流動狀態的真實性的不確定度因素

(2)由上例可以看出 :當速度剖面較充分發展的速度剖面尖時(雷諾數小),流出系數會變大, 當速度剖面較充分發展的速度剖面平時(雷諾數大), 流出系數會變小 。流出系數 C 隨著流量的增大而減小,實際流量越小于刻度流量 ,則流出系數 C 引起的流量誤差會越大。
(3)孔板流量計的流出系數 C 不是一個固定值,它隨雷諾數的變化而變化 ,但是當雷諾數增大到某一數值時,變化量減小 。對于法蘭取壓, 雷諾數應該在106以上,對于角接取壓,雷諾數應在 2 ×105以上。
  流量測量不確定度中和流出系數有關的相關項為孔板開孔直徑, 大小為δdd=±0 .07 %, 測量管直徑,大小為δDD=±0 .4 %, β 值允許 0 .75 ≥β ≥0 .2 。據公式計算出 C 的變化范圍為 :±0 .0197 %～±0 .1791 %。

2 .孔板粗糙度、銳利度、平整度的影響
  SY/T6143 -1996 對孔板的直角入口做了嚴格的技術規定 ,即 :無卷口、無毛邊、無目測可見的異常現象, 并且是尖銳的直角 , 若邊緣形成圓弧, 其圓弧半徑 rk≤0 .0004 d , 孔板開孔內圓柱面與孔板上游端面垂直 , 誤差小于 ±1°, 粗糙度高度參數 Ra ≤0 .0004 d , 且不影響尖銳度測試 。
  對于孔板性能對流量的影響, 筆者做過相應的對比試驗:分別取 DN100 mm 的標準孔板 , 編號為G K F75761 , 經檢測其 rk為 0 .05 mm(允許值小于等于0 .04 mm),GKF78790 其粗糙度高度參數為 Ra為 45 μm (允 許值 小 于 等于 40 μm)。 編號 為G K F75007 的各項指標均符合要求的孔板進行一相對穩定的氣流測量 , 測試中將不符合規格孔板放在氣井單量裝置, 標準孔板放入氣井外輸裝置, 忽略裝置之間的差異, 某單井一天天然氣流量測試結果見表 2 。實驗表明, 忽略氣流的微小波動 ,對于 rk超差的不合 格孔板 其計 量誤 差范 圍為 -2 .81 % ～3 .14 %, Ra 超差的不合格孔板計量誤差為 -2 .58 %～ 2 .72 %,若 rk、Ra 超差嚴重則氣量偏差更大, 甚至可達到 10 %。

3 .被測介質實際物理性質的不確定度因素
 
(1)標準中要求流經天然氣的流體為氣流必須是單相的牛頓流體。若氣體含有質量分數不超過 2 %的固體或液體微粒 , 且呈均勻分散狀態, 也可被認為是單相的牛頓流體。
 
在實際使用中, 從井口到計量管線的過程中 ,天然氣通常攜帶一定量的水、脫水劑和凝結液。這些液體來自分離效果差的分離器和負荷大的脫水單元 ,當流動溫度和壓力變化時 ,氣體中的重烴組分也會凝析出來。
 
美國雪佛龍公司和科羅拉多工程實驗站分別對此進行了研究, 實驗為將經過標準渦輪流量計計量的天然氣在通過注水管注水后用孔板流量計進行計量。其結論為:①用孔板流量計測量氣體流量 ,當氣體中夾帶少量液體時 ,流量測量不確定度偏高 ,測量的濕氣流量隨 β 的增加而減少 ,在 β 比為 0 .7時 ,測得的流量偏差為 -1 .7%;②當夾帶少量液體時, 在 β 比為 0 .5 時表明孔板性能較好 , 但是應將夾帶液體在孔板上游脫出, 以獲得***佳的計量性能;③用舊的孔板流量計測量濕氣, 流量計量值將降低 3 %。
 
這項研究結果說明 ,天然氣在進入計量裝置以前 ,如果要獲得非常好的計量性能, 應完全脫除天然氣中所含的水分, 對于日處理氣量近百萬立方米的集氣站 ,這一點非常重要。
 
(2)可膨脹系數(ε)
 

式中:κ表示等熵指數。
 
可膨脹系數的百分誤差為 :(±4 p/ p 1)%。由于誤差系數的影響, 如被測系統壓力低到 4 p/ p 1 可以和 β 比較, 被測系統壓力將直接影響到測試準確度。當被測系統壓力為高壓系統時, 可以忽略該項誤差。目前在天然氣計量中差壓一般在 500 ～ 50000 Pa 范圍內 ,靜壓在 1 ～ 10 M Pa 范圍內 。因此ε的誤差***小為 ±0 .0002 %, ***大為 ±0 .2%(甚至會更大)。
 
(3)天然氣相對密度的影響密度參數是天然氣測量中極為重要的物性參數 , 密度測量的不確定度對整個測量系統的不確定度有著很大影響 ,目前國內普遍采用測量氣流壓力、氣流溫度和定時取樣得到氣流全組分 , 由于壓力溫度的波動, 天然氣的相對密度并不是一個固定值。密度不確定度估算公式為 :

根據計量條件估算密度帶來的不確定度 :當儀表精度較低且運行在下限時 , 不確定度為
 
±1 .818 %;反之不確定度則在±0 .793 %, 由此可見密度在流量測量中至關重要。所以為了準確進行天然氣計量, 選用在線氣相色譜儀進行組分在線分析是十分必要的。長慶氣田在向北京、陜西、寧夏以及西氣東輸供氣的外貿計量裝置上均采用了在線色譜,平均 5 min 采樣分析一次, 能夠及時檢測到組分的變化情況,提高了計量精度。
 
4 .測量中重要設備的不確定度因素
 
該項不確定度因素主要體現在孔板 β 比選擇方面、還包括二次儀表的不確定度:
 
(1)β 比選擇根據 S Y/ T6143 -1996 中的體積流量不確定度

 
據式(4)可以計算出直徑比 β 與流量不確定度^δ_Q^Q_nⁿ的關系如表 3 所示。
 
表 3  直徑比與體積流量不確定度的關系表 %
 

 
由表 3 可以看出 ,當其他參數不變的情況下 ,直徑比 β 的變化對測量不確定度的影響是很大的, 現場應用中, 操作人員常根據氣量的變化來更換不同內徑的孔板來滿足使用要求 ,此時, 直徑比成了影響準確度的主要可變因素。 β 與流量測量綜合不確定度的關系如圖 1 所示。結論為:不確定度基本隨著 β 增減而增減 , 當 β 小于 0 .6 時, 不確定度的變化很小,基本為一條直線;隨著 β 的增大 ,不確定度迅速增大 ,當 β=0 .75 時 ,不確定度達到***大。
 
(2)二次儀表的不確定度由于目前天然氣計量大多采用計算機智能化數據采集、數據處理 A/D 轉換準確度高, 量化誤差的影響可以忽略 , 差壓、壓力、溫度的測量由于大量高精度智能化變送器的應用使二次儀表對整個流量系
 
圖 1  β 與流量測量綜合不確定度的關系圖
統的誤差成為了非主要影響因素。
 
1)壓力儀表測量誤差 :主要由壓力測量儀表的度引起(儀表準確度受溫度變化影響)。采用
 
3051T 型變送器在 5 .0M Pa 工作,溫度變化在 30 ℃
 
左右。
 
溫度影響:±0 .15 %;
 
***終度為:ζ=±0 .225 %(儀表校驗誤差為
 
±0 .075 %)。
 
2)差壓儀表測量誤差 :主要由儀表度 、儀表安裝位置、導壓管引起。采用 3051CD 型變送器在 5 .0 MPa 工作, 溫度變化在 30 ℃左右。
 
溫度影響:±0 .075 %;
 
靜壓力影響 :±0 .15 %; 安裝位置可通過零點調整予以消除。
其***終度為:ζ=±0 .30 %(儀表校驗誤差
 
為 ±0 .075 %);
 
導壓管引起誤差為:±0 .2%;
 
總體差壓誤差為 :±0 .36 %。3)溫度儀表測量誤差 :主要由儀表度和安裝位置正確性影響。
 
溫度儀表度為:ζ=±0 .5%。
 
安裝位置的影響在標準規定范圍內忽略不計。(3)計量條件下天然氣流量測量的不確定度假定流量測量裝置為理想狀態 ,已知條件 :天然氣外輸測量管 D 20 =205 mm ;d 20 =103 .76 m m ;p =4 .50 M Pa ;Δpmax =54 kPa ;溫度計上限為 50 ℃,準確度為 0 .2 級 , 壓力、差壓變送器準確度為 0 .1
 

二、控制誤差提高計量準確度的方法：
  因為天然氣流量測量計算的不確定度是在其他影響因素都不存在附加誤差的情況下計算得到的 , 但是使用中由于各種原因會帶來一定的附加誤差 , 這是需要消除的。根據實際應用情況, 提出以下控制方法及建議。
 
1 .孔板節流裝置必須符合標準
 孔板節流裝置在使用前的安裝中應按照標準安裝設計 ,根據孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段, 一般應至少前 30 D , 長慶氣田在開發初期部分集氣站因為設計原因流量計直管段長度為前 10 D 后 5 D , 造成天然氣計量輸差達到 ±5 %～ ±8 %, 分析原因后經過技術改造 ,計量管段改為前 30 D 后 10 D ,使計量輸差降低到 ±1 .5%。
 
2 .氣流中存在脈動流的改善措施
 天然氣從地層中采集后經節流、分離、凈化后一般能達到均勻單相的牛頓流體, 在天然氣計量中由于各種原因使天然氣脈動 ,可以采取以下措施減小脈動流的影響。
(1)在滿足計量能力的條件下, 應選擇內徑較小的測量管 ,使 p 、β 在比較高的雷諾數下運行。
 
(2)采用短引壓管線 ,盡量減少引壓管線系統中的阻力件 ,并使上下游管線長度相等 ,以減少系統中產生諧振和壓力脈動振幅的增加。
 
(3)從管線中除去游離液體 ,管線中的積液引起的脈動可以采用自動清管系統或低處安裝分液器來處理。
 
為使天然氣具有***佳的計量性能 , 應將天然氣中的水分徹底脫出。
 
3 .加強計量管理 、建立健全各項規章制度
 嚴格貫徹執行 SY/T6143 -1996 標準 , 確保裝置完全符合標準的技術要求。建立健全各項規章制度,如定期維護制度、周期送檢制度, 加強對天然氣生產情況的監測 ,及時消除誤差。
 在孔板流量計日常使用過程中, 要確保準確的計量 ,還應至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點、儀表 D/A 轉換通道、核對流量計算程序 , 對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換。長慶氣田根據氣質的凈化程度 ,規定集氣站每月清洗檢查一次孔板, 貿易交接計量孔板每半月和用戶一起檢查清洗一次, 同時還配備孔板綜合測試儀定期對孔板進行幾何尺寸檢定, 使集氣站單井計量輸差能有效控制在±1 .5% 以內, 貿易計量輸差在±1 .0%以內。
 
4 .量值溯源是確保天然氣計量準確度的有效措施
 
(1)當孔板節流裝置的一次裝置設計、制造、安裝、檢驗和使用完全符合 SY/T6143 -1996 標準中 1 ～ 7 章的全部技術要求時,即可達到幾何和流體力學相似, 在此基礎上可以執行單參數溯源 ,節流裝置部分用長度標準進行幾何尺寸干檢, 壓力、溫度、時間或氣樣分析用各自的標準器具或標準樣氣進行檢驗 ,并將標準器與基準建立溯源鏈。
(2)對用于貿易計量的孔板流量計量裝置 ,建議流量計投入使用前或使用一段時間后 , 進行實流檢定或校準, 以保證一次儀表的準確度。
(3)天然氣組成分析應采用 GB/ T13610 規定的方法進行, 標準氣體應選擇經質量技術監督局考核合格的、有合格證并標有不確定度的標準氣體,標氣準確度應不低于二級標準氣體(2 .0 %)。在條件許可的條件下, 應開展天然氣在線組成分析和物性參數的在線測定。

孔板流量計安裝基本要求與規范規定：
1：對于新設管路系統，必須先經掃線后再安裝標準孔板，以防管內雜物堵塞或損傷標準孔板。
2：安裝前應仔細核對標準孔板的編號、位號、規格是否與管道情況、流量范圍等參數相符。在取壓口附近標有“+”的一端應與流體上游管段聯接，標有“—”的一端應與流體下游管段聯接。
3：標準孔板的中心線應當與管道中心線同軸。

孔板流量計對管道的要求：
1；節流件（標準孔板）應配有一段測量管,至少保持前10DN、后5DN的等徑直管段，以提高測量精度。
2；在節流件前后若需安裝閥門，***好選閘閥且在運行中全開；調節閥則應在下游5DN之后的管路中。

對差壓引出管路的要求：
1：引壓管路的內徑與管路長度和介質臟污程度有關，通常在45米以內用內徑為8-12mm的管子。
2：測量液體流量時引壓管水平段應在同一水平面內。若是在垂直管道上安裝節流件，引壓短管之間相距一定的距離（垂線方向），這對差壓變送器的零點有影響，應通過“零點遷移”來校正。
3：引壓管路應有牢固的支架托承，兩根取壓管路應盡可能互相靠近并遠離熱源或震動源，測量水蒸汽流量時，應用保溫材料一同包扎，必須時（如氣溫0℃以下）加伴熱管防止結冰。在測量臟污流量時，應附設隔離器或沉降器。
4：引壓管路內必須始終保持單相流體狀態。被測流體是氣體時，引壓管路（包括差壓計的壓力腔）內全部是氣相；被測流體是液體時，引壓管路內全部是液相，不能有氣泡。為此應在引壓管路的較低點裝排水閥或在***高點裝排氣閥，在新裝或檢修差壓儀表時應特別注意。

孔板流量計是一種應用***為廣泛的流量儀表類型之一，雖然近年來隨著不斷有新的技術應用于流量測量領域，比如電磁流量計、超聲波流量計，渦輪、渦街等，但是孔板流量計在使用量仍然很大，因為其因為標準節流件是全用的,并得到了國際標準組織的認可,無需實流校準,即可投用,在流量傳感器中也是的；結構易于復制,簡單\牢固\性能穩定可靠\價格低廉；應用范圍廣,包括全部單相流體(液\氣\蒸汽)\部分混相流,一般生產過程的管徑\工作狀態(溫度\壓力)皆可以測量；檢測件和差壓顯示儀表可分開不同廠家生產,便與專業化規模生產.在流量計的安裝和使用過程中，沒有嚴格遵守技術要求和設計所提供的數據而找成的誤差。所以其優勢還是很明顯的，這也是許多企業仍然鐘情于孔板流量計的原因所在。



 



　　

　　由于孔板流量計本身的結構所限，所以其測量的精度并不高，有許多因為安裝時系統原因會導致誤差，并且這種誤差的大小是無法估計的。但是通過對造成誤差因素的分析，可以將誤差降低。孔板流量測量系統安裝使用時，必須符合下列技術要求：

　　

　　1）孔板安裝時，他的開孔中心和管道中心軸線同心，而且它的端面與管道軸線垂直；

　　

　　2）孔板上、下游側取壓孔軸線符合距孔板上、下游端面的距離為25.4±0.8mm的要求；

　　

　　3）取壓孔的軸線應與孔板上下游側2D測量管長度的內圓柱的軸線垂直，取壓孔的軸線與孔板兩端面向外傾斜角的夾角不大于3度。取壓孔直徑不應大于0.08D；

　　

　　4）孔板安裝需要前后直管段，直管段的長度與孔板上游側局部阻力件的形式和直徑比β有關，其確定方法如下表：

　　

　　表.孔板與阻流件之間所要求的直管段長度（無流動調整器）

　　

　　（數值以管徑D倍數表示）

 

直徑比β 孔 板 上 游 側 （入口）

單個90o彎頭

兩個90o彎頭

在任意平面

(S＞30D) 在同一平面上的兩個90o彎頭，S形狀

(30D≥S＞10D) 在同一平面上的兩個90o彎頭，S形狀

(10D≥S) 在垂直平面上的兩個90o彎頭，

(30D≥S≥5D) 在垂直平面上的兩個90o彎頭，(5D＞S) 單個90o三通 單個45o彎頭在同一平面上的兩個45o彎頭，S形狀(S＞22D)



  A B A B A B A B A B A B A B

0.20 6 3 10 10 10 10 19 18 34 17 9 3 ⑤ ⑤

0.40 16 3 10 10 10 10 44 18 50 25 9 3 30 9

0.50 22 9 18 10 22 10 44 18 75 34 19 9 30 9

0.60 42 13 30 18 42 18 44 18 65 25 29 18 30 18

0.67 44 20 44 18 44 20 44 20 60 10 36 18 44 18

0.75 44 20 44 18 44 22 44 20 75 18 44 18 44 18



 

 

 

直徑比β 孔 板 上 游 側 （入口） 孔板下游側（出口）

漸縮管在1.5D到3D的長度內由2D變為D 漸擴管在D到2D的長度內由0.5D變為D 全孔球閥或閘閥全開 對稱突縮管 溫度計套管或插口直徑小于0.03D 前面全部阻流件類型和密度計套管



  A B A B A B A B A B A B

0.20 5 5 16 8 12 6 30 15 5 3 4 2

0.40 5 5 16 8 12 6 30 15 5 3 6 3

0.50 6 5 18 9 12 6 30 15 5 3 6 3

0.60 9 5 22 11 14 7 30 15 5 3 7 3.5

0.67 12 6 27 14 18 9 30 15 5 3 7 3.5

0.75 22 11 38 19 24 12 30 15 5 3 8 4

　　孔板流量計在惡劣的安裝條件下，可能的話采用流量調整器。溫度計套管的安裝不會變更其上游側的***小直管段長度。

　　

　　***小直管段長度是指孔板的上下游阻流件與孔板之間的長度，該長度是從***靠近的彎頭或三通的曲面部分下游末端或漸縮管和漸擴管的錐管部分下游末端測量起。

　　
孔板流量計可廣泛應用于石油、化工、天然氣、冶金、電力、制藥等行業中，各種液體、氣體、天燃氣以及蒸汽的體積流量或質量流量的連續測量。

簡單來說差壓值要開方輸出才能對應流量

一、流量補償概述

孔板流量計的測量原理是基于流體的機械能相互轉換的原理。在水平管道中流動的流體，具有動壓能和靜壓能（位能相等），在一定條件下，這兩種形式的能量可以相互轉換，但能量總和不變。以體積流量公式為例：

Q v = CεΑ/sqr（2ΔP/（1-β^4）/ρ1）

其中：C 流出系數；

ε 可膨脹系數

Α 節流件開孔截面積，M^2

ΔP 節流裝置輸出的差壓，Pa;

β 直徑比

ρ1 被測流體在I-I處的密度，kg/m3;

Qv 體積流量，m3/h

按照補償要求，需要加入溫度和壓力的補償，根據計算書，計算思路是以50度下的工藝參數為基準，計算出任意溫度任意壓力下的流量。其實重要是密度的轉換。計算公式如下：

Q = 0.004714187（ΔP/ρ） Nm3/h 0C101.325kPa

也即是畫面要求顯示的0度標準大氣壓下的體積流量。

在根據密度公式：

ρ= P*T50/（P50*T）* ρ50

其中：ρ、P、T表示任意溫度、壓力下的值

ρ50、P50、T50表示50度表壓為0.04MPa下的工藝基準點

結合這兩個公式即可在程序中完成編制。

二、程序分析

1、瞬時量

溫度量：必須轉換成攝氏溫度；即+273.15

壓力量：必須轉換成壓力進行計算。即表壓+大氣壓力

補償計算根據計算公式，數據保存在PLC的寄存器內。

2.、累積量

采用2秒中一個掃描上升沿觸發進行累積，即將補償流量值（Nm3/h）比上1800單位轉換成每2S的流量值，進行累積求和，畫面帶復位清零功能。
 
三、結束語：
 客觀地講, 在采用孔板流量計測量天然氣流量時 ,如果對孔板流量計的一次裝置(孔板節流裝置)和二次儀表(差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數計量器具等)配套儀表的選擇、設計、安裝、使用都嚴格按照有關標準進行 ,并在受控狀態下使用時, 其流量測量準確度是可以控制在±1 %～ ±1 .5%范圍內的。