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天然气孔板流量计的测量精度分析
发布时间:2021-11-17 08:39:07

摘要:孔板流量计是一种广泛应用于石化工业的流量测量仪表。目前天然气计量已制定了许多相关的国家标准,行业标准和计量检定规程等,但尚未形成完整体系,与国外相比尚有较大差距。本文主要探讨了天然气孔板流量计测量中准确度要求,分析了影响测量不确定度的几种因素,提出引起流量测量误差的各种原因,这对于孔板流量计的使用具有一定的指导作用。
0引言
  在众多的能源中,天然气作为一种清洁的燃料和优质原料,不但提高了人们的生活质量,而且还保护了我们赖以生存的环境。孔板流量计作为主要的测量仪表,在20世纪初使用于天然气流量测量,目前已成为全世界最主要的天然气流量计。近几年来天然气流量计计量相关技术标准相继颁布实施,我国天然气计量专业性标准为《用标准孔板流量计测量天然气流量》(SY/T6143-2004)"。
1.天然气孔板流量计的组成
 
  孔板流量计是将标准孔板与差压变送器配套组成的差压式流量装置,可测量气体、蒸汽、液体及天然(的流量,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。如图1所示。
2天然气孔板流量计的工作原理
2.1测量原理
  孔板流量计是以相似原理为根据,以实验数据为基础的瞬时流量计。天然气孔板流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系,通过测量差压值求得流体流量”。
2.2流量方程
 
  如图2所示,根据流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律),天然气孔板流量计的流量方程为:
 
  式中:Q为体积流量;β为直径比,β=d/D;d为工作条件.下节流件的孔径;D为工作条件下.上游管道内径;A。为节流件的开孔截面积;C为流出系数;OP为节流装置前后实际测得的差压;p为节流装置上游流体密度;e为可膨胀系数。
2.3流动状态的要求
  孔板流量计的流出系数C是在特定的实验室参比条件下,通过大量的实验数据推导得出的计算方法。因此,为了保证测量精度,对于气流流动状态应符合如下四条要求:
2.3.1流体必须是牛顿流体,在物理学和热力学上是均匀的、单相的,或者可认为是单相的流体。
2.3.2流体流动是稳定流或随时间变化不大的?变流
2.3.3流体必须满管流,流经节流件前流动应达到充分紊流,流束平行于管道轴线且无旋转,流经节流件时不发生相变。
2.3.4流体通过孔板节流装置的流动,必须保持孔板下游静压与孔板.上游静压之比不小于0.75,管道雷诺数Re≥5000(角接取压)和管道雷诺数Re≥1260B2D(法兰取压)。
3天然气孔板流量计不确定度分析
  由于存在取压方式(角接取压、法兰取压)的影响;流量计算假设条件等因素的影响;孔板加工、安装等技术要求。孔板流量计的使用和流量计算必须严格遵守规范规定,否则,其流量测量的不确定度无法计算或误差较大。
  根据天然气孔板流量计的流量方程(公式1)可知,影响流量测量的精度主要由流出系数C、可膨胀系数、差压和天然气的物性。
3.1流出系数不确定度变化
  流出系数C是为了补偿任意两点的摩擦影响所列人的一一个经验系数,它与节流件的几何形状、取压位置及雷诺数等有关,通常由试验确定。当直管段长度符合SY/T6143--2004的规定的节流前10D和节流后4D长的测量管,圆度满足不大于士0.3%的标准规定,则流出系数不确定度8clc只随β值的不同而不同。此时,当β≤0.6时,则δc/c=±0.6%;当β>0.60时,则δc/c=±β%。
3.2天然气可膨胀系数不确定度变化
  当所测天然气流经孔板时,由于流速和压力的改变而伴随着密度的改变(气体压力从p1降为p2,因膨胀而使密度减小),为适应此种变化以修正因假设密度等于常量而对流量引起的偏差,因此必须加入一个系数,这个系数被称为可膨胀系数e。
 
  对于天然气而言,可膨胀性系数的不确定度为:δc/c=±4(△p/p1)%
  它与孔板流量计实测差压△p成正比,与静压p1成反比。目前在天然气计量中差压值-般在5000Pa之内,静压在1-10MPa范围内,因此δc/c最小为±0.0002%,最大为±0.2%或更大。
3.3天然气密度测量不确定度δρ/ρ
  密度取值按测量方法的不同而异,其一为直接密度测量,由密度计直接决定其值;天然气密度测量的不确定度δρ/ρ最小为±1.013%,最大为±1.571%或更大。
3.4差压P的不确定度
  标准SY/T6143--2004中的流量实用公式在应用能量方程导出过程中,规定测量管道水平(包括上、下游侧的测量管)。因此,其上、下游取压口的位置差为零,差压Ap则是在孔板上、下游侧所规定的取压口位置上量得的静压之差。
 
  式中:ξ△p为差压计的精度等级;△pk,为差压计的量程;△pf为预定差压测量值。
  由此可见,当所用差压计的精度为0.5级,量程为0~ 600kpa,预设差压测量值为300kpa时,对于天然气孔板流量 计,置信概率为95%的测量总不确定度为: 天然气流量测量的总不确定度,据SY/T6143-2004规定,实际上就是测量系统的测量值与真值比较,置信概率为95%的准确度,其测量的总不确定度8Qn/Qn最小为±0.82%,最大为±4.52%或更大。
4孔板流量计使用中的测量误差分析
  在实际应用时,对于孔板流量计如果使用不当,会造成很大的测量误差,有时可达到20%左右。在流量计的使用中,如何减少其测量误差,必须考虑流量的测量原理和结构形式,注意使用条件和测量对象的物理性质是否与所选用的流量计性能相适应。下面就其测量误差进行分析:
4.1流量计算方程描述流体是充满圆管的、充分发展的定常流。若流动状态真实性无法确定,如果仍按照原有的仪表常数推算流量,将与实际流量存在误差。
4.2天然气以甲烷为主加上乙烷和其他少量的轻烃,真实相对密度小于或等于0.75。由于被测介质实际特性的不确定因素,以及实际物性变化影响仪表正常工作等对流量测量的不确定度产生影响。
4.3孔板的结构设计、加工、装配、安装、检验和使用必须符合标准规定的全部技术要求。由于各个装置自身及环境条件因素引起的不确定因素。
4.3.1孔板安装不正确
  管道水平安装,如果孔板开孔中心与管道中心线不同心;如果在安装过程中存在引压管堵塞及垫片等凸出物,则会造成孔板前后压差测量不准确,从而造成测量误差。
4.3.2孔板入口边缘被磨损
  在使用中,由于流体的磨蚀作用,使孔板的入口边缘变钝,被磨成圆形入口边缘。结果是在相同的流量下,孔口收缩系数变大,造成差压发生变化,造成测量误差。
4.3.3孔板表面的结垢
  长期使用时,孔板表面结垢,使孔板的流通面积变小,从而造成差压增大,使流量计测量值大于实际值,影响计量精度。
4.4差压变送器零点漂移和量程设置不当
  由于时间较长,变送器的零点会发生漂移,这时差压变送器的输人和输出信号发生变化。若不及时调整,会造成实测流量值偏低或偏高。
5结束语
  客观地讲,在采用孔板流量计测量天然气流量时,对孔板流量计的一次装置(孔板节流装置)和二次仪表(差压、静压、温度、被测介质物性等)的选择、设计、安装、使用严格按照SY/T6143-2004国家标准进行,加上不定期维护和检查,才能保证天然气孔板流量计的测量精度。

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