孔板流量計計量存在的問題及措施
 【摘要】隨著世界石油天然氣工業的迅速發展, 天然氣貿易的頻繁, 對天然氣的準確計量要求越來越高。目前國內孔板流量計在國內占.... .. 以上, 而影響該流量計計量準確度的因素很多。本文將從流體特性、儀表性能要求、安裝要求、環境條件方面闡述是如何影響計量準確度的, 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構中所占的比例不斷上升, 據統計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% , 預計20 10 年為24 .3% 。目前天然氣的年產量已達到2 .3 萬億m , 左右。天然氣的產區與其消費地區之間的距離就決定了此項能源的貿易量甚大, 20 世紀90 年代以來此數字不斷上升, 現已達到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, 天然氣遠景儲量約達38 萬億m , , 其中陸上占79 % , 海上占2 1% 。天然氣的生產、利用過程是一個流程復雜、規模大、速度快且連續運行的系統。在這個系統中, 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。其計量的準確與否受到人們的普遍重視。因此計量的準確度是選擇任何類型的流量計都必須考慮的重要指標。在實際應用中, 影響流量計計量準確度的因素很多, 下面就幾個方面進行論述。
  1 目前孔板流量計計量中存在的問題流量計量儀表品種多, 計算模型五花八門, 如標準孔板流量計、渦街流量計、漩渦流量計、超聲流量計等, 除了標準孔板流量計外, 缺乏必要的標準或規范支持。
   孔板流量計在2 0 世紀初即使用于天然氣流量測量, 經過一個世紀漫長的發展過程, 它已成為*zui主要的天然氣流量計, 據估計, 目前在國外它約占60% , 而在國內占90 % 以上。美國A G A （美國氣體協會） 3 號報告（孔板流量計計量天然氣及其它烴類流體） 就是針對天然氣計量的標準, 從19 5 5 年發布起已經過多次修訂（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） , 尤其是第三版有實質性的修訂, 它是在80 年代上對孔板流量計進行大規模研究試驗的基礎上進行的, A G A N 0 3 總結了幾十項針對天然氣計量的專項研究, 其中大部分的實驗介質就是天然氣, 可以說用孔板流量計測量天然氣流量已經進行過非常深人細致的研究試驗, 積累的實踐經驗亦很豐富, 在量的基礎上產生了質的飛躍, 其標志就是標準化, 即使用標準孔板流量計, 可以無須實校準而確定信號（差壓） 與流量的關系,并估算其測量誤差, 目前在全部流量計中它亦是*達到此標準的。
   孔板流量計的主要特點為結構易于復制, 簡單牢固, 性能穩定可靠, 使用期限長, 價格低廉等, 整套流量計由節流裝置, 差壓變送器和流量顯示儀（或流量計算機） 組成。它們可以分別由不同廠家生產, 易于形成規模生產, 經濟效益高, 各部分組合非常靈活, 即使目前推出的一體化孔板流量計, 亦可分開生產, 再靈活組裝。
   但是孔板流量計一般由三部分組成: 節流裝置、差壓變送器和流量顯示儀。在現場惡劣的工作條件下, 節流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線是使用維護的重點。《天然氣流量的標準孔板計量方法）（ S Y / 61 43 一1 9 96 ）中指出, 天然氣從地層中開采出來, 雖經分離, 除塵和過濾, 因其所含成份十分復雜, 從單井計算, 集氣計量到配氣計量, 氣體組分各不相同, 所以節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壁的沖刷、腐蝕尤為嚴重, 這將影響孔板直角入口邊緣弧半徑rk 和測量管內壁的相對粗糙k / d 的規定標準, 流出系數c 將發生變化, 流量測量不確定度超出估計數。輸出信號為模擬信號, 重復性不高, 對整套流量計的度影響因素多且錯綜復雜, 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, 會隨著外界環境溫度的變化而發生復雜的變化, 從而影響流量計的測量精度。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, 因為外界溫度的變化, 會使天然氣本身的壓力和溫度也發生變化, 都有可能造成過大的密度變化和壓縮系數變化。低密度氣體對某些測量方法呈現困難, 此時就要改變所選擇的測量方法, 或者作溫度和（或）壓力修正, 以保證測量準確準確度。因此在評估流量計的適應性時, 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, 但是對流量計量的度還是有一定的影響。
   在礦場計量中或測量含有雜質的天然氣時, 雜質會腐蝕儀表接觸件, 使接觸表面結垢或析出結晶, 將減少活動部件的間隙, 從而改變流量計使用性能參數, 降低敏感元件的靈敏度或測量性能, 影響計量精度。
   對于油田溫氣（伴生氣） , 其中含有大量的飽和水蒸氣, 在溫度降低時會有水凝結; 分離不凈的濕氣含有油滴或油污, 屬于臟污介質; 間斷計量, 將有油、水沉積在管線內; 它們屬于多組分流動, 計量時應謹慎對待I’〕。經驗表明, 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也會呈現雙相, 例如濕氣中水微粒隨著天然氣流動, 環境溫度或天然氣壓力偏離原定狀態, 儀表就有可能不適應。測量氣液雙相流時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可行或不符合要求[2J 。
  1 . 2 儀表性能的影響
   孔板流量計本身引起的誤差原因主要有: 孔板人口直角銳利度; 管徑尺寸與計算不符; 孔板厚度誤羞節流件附件產生臺階、偏J以孔板上游端面平度; 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; 節流件不同軸度等等。這些因素都有可能影響孔板的重復性, 重復性是由儀器本身原理與制造質量所決定, 它在過程控制應用中是重要的指標。而度除取決于重復性外, 尚與量值標定系統有關。在實際應用中, 儀表優良的重復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指標, 而包含在基本誤差內。然而對于寬流量范圍脈沖輸出用作總量積算的儀表, 線性度是一個重要指標, 使有可能在流量范圍內用同一個儀表常數, 線性度差就要降低儀表度。應用于脈動流動場所應注意儀表對流動階躍變化的響應。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的輸出。瞬態響應（tra ns ien t resp onse ） 常以時j’ed 常數或響應頻率表示, 其值前者從幾毫秒到幾秒, 后者在數百赫茲以下, 配用顯示儀表可能相當大地延長響應時間。R ed m e 沮oc 認為儀表的流量上升和下降動態響應不對稱會急劇增加測量誤差[3l 。
  1 . 3 流量計安裝的影響
   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, 其產生的主要原因是現場不能滿足直管段要求的長度。
   天然氣流量計只有安裝到管道上才能對天然氣進行計量, 在安裝時首先應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, 在安裝時也要考慮正向和反向之間測量性能是否存在差異。
   許多現場不能滿足孔板流量計直管段要求的長度, 管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性存在的。
   大部分流量計儀表或多或少會受進口流動狀況的影響, 因而必須保證良好流動狀況。輸送管道上安裝的定排量泵、往復式壓縮機、振蕩著的閥或調節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, 都會產生脈動。流量計來不及跟隨記錄脈動流動, 帶來測量誤差。因此應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的影響, 然而流量計還是盡可能避開振動或振動源為好[3] 。流量計的信號輸出顯示有流量（體積流量或質量流量）、總量、平均流速、點流速幾種, 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, 在儀表上或其附近結合著電子設備。儀表（設備） 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, 如電磁流量計的磁場被畸變, 影響測量精度。因此電氣連接應有抗雜散電平干擾的能力, 并且信號電纜應盡可能遠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。另外流量計的安裝除了考慮以上的幾點因素, 有時安裝還取決于流體物性。
   1 . 4 環境條件方面的影響
    雖然流量計安裝能正常使用了, 但因所使用環境條件與預期的情況發生了改變, 使儀表的一些性能參數和硬件方面也隨之發生了改變, 從而會改變流量計測量結果。例如: 環境溫度或介質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, 將降低測量準確度。同時影響孔板流量計計量的因素還有氣體雷諾數范圍不符合標準規定、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 解決孔板流量計計量問題的途徑
  2 .1 加強管理, 提高人員素質[4l 
   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特點, 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、沽污等造成的。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, 減小計量誤差。同時, 在實際應用中應強化宣貫S Y / T 6 143 一1 9 % 標準力度。《天然氣流量的標準孔板計量方法》（S Y / 6 143 一1 9 9 6） 中提到了減少誤差的方法。如附錄《節流安置在使用中出現部分偏離標準規定的處理》中規定在實際應用中采取在流出系數c 中增加二個修正系數, 即孑L板人口尖銳度修正系數和管壁粗糙修正系數或者采用可換孔板節流裝置。因此在天然氣計量的實際應用中應深人研究, 吃透《天然氣流量的標準孔板計量方法）（ S Y / T 61 43 一1 9 9 6） 的精髓, 嚴格按標準規定安裝、使用、處理數據, 保證天然氣計量的準確。險。
  2 . 2 測量儀表的正確選用
  測量儀表應標準節流裝置, 當流量變化范圍大時要考慮用寬量程智能差變, 其它類型檢測儀表在相應的計量天然氣的標準出前臺, 應慎重選用, 二次儀表的計量模型應符合S Y / T 6 143 一1 9 % 的要求計算F z 能輸入組份, 實時計算c 值。
  2 . 3 加強技術培訓, 借鑒國外經驗
   引進、消化、吸收近幾年發展起來的天然氣計量新技術。從國外情況來看, 在天然氣貿易中, 能量計量幾乎已全面取代傳統的體積計量, 而我國的天然氣計量領域中體積計量仍占統制地位。為了盡快與接軌, 使用單位可以與各科研究院所聯合攻關, 開展天然氣能量計量的試驗工作, 并在此基礎上完成標準化。為了加快試驗進度, 建議引進*的在線氣相氣色譜系統和流量計算機, 在消化引進技術的基礎上發展適合我國國情的天然氣能量計量系統。