论孔板流量计测天然气流量

内容提要：本文由阐述孔板流量计浏量的原理,说明孔板流量计是以试验为基袖,研究开发出来的一种流量仅表,今天的成果是前人进行了近百年的研究取得的。作者在倡导充分利用这些研究成果的同时,提出用孔板流量计测量天然气流量需要解决的问题,这将对天然气流量的浏量起积机作用。
天然气(包括油田气)作为重要的化工原料和能源,已被**地利用。如何准确测量天然气的流量,已成为生产和经营管理部门所关心的一件大事,也是从事计量工作的部门和人员急需解决的问题。本文拟就用孔板流量计测量天然气流量的问题,谈谈看法。
一、用孔板流量计测量气体流量的原理
气体通过孔板流动发生的变化如图1所示。从图可以看出,气体流经孔板时,其断面收缩到孔的截面,通过孔后还继续缩小,然后再逐渐扩大,直到恢复原状。气体在孔板前后流动时,其压强和流速都要发生变化。图1中1、2两个断面的能量平衡方程式为:

式中:Z1、Z2—图1中1和2断面处的位置高度;
p1、p 2—图1中1和2断面处的压强;
vl、v2—图1中1和2断面处的流速;
al、a2由—图1中1和2断面处流速的功能修正系数,简称为流速修正系数;
y—气体的密度;
hw—图1中l和2断面之间由摩擦阻力造成的压头损失;
g—重力加速度。
利用该能量平衡方程式, 并通过理论推导, 可以得到用孔板流量计测量通过孔板的流动气体的流量:

式中：β—孔板流量计的校正系数；
      A0—孔板开孔的面积。
从式 (2)可以看出,影响通过孔板开孔的气体流量的许多因素,甚至是一些难以确定的因素,都已汇总成为孔板流量计的校正系数,这就表明,能否准确地确定孔板流量计的校正系数,是关系到孔板流量计能否用于流量测量的关键。
人们认为,孔板流量计的校正系数与气体的性质、通过管道截面的流速、孔板的开孔面积和孔板的结构、计量用管道的面积和结构等因素有关。由于影响的因素太多,采用纯理论的处理方法是无法解决的,只有借助于实验的方法来解决。许多研究工作者将组成刀系数的影响因素,分解成若干个系数,然后在特定的条件和状态下,用试验的方法进行测量,并将测得的数据进行处理后得到这些系数。这说明,孔板流量计之所以能用于气体流量的测量,完全是以试验为基础的。因此,采用孔板流量计测量气体流量时,必须复现试验测量孔板流量计各系数时的条件和状态。
为保证孔板流量计能用于流量测量,并使测量结果具有一定的准确度,一般都依据试验条件和状态,制订出孔板流量计的专用标准,并要求在使用中严格按标准去做。如果不严格按标准去做,用孔板流量计测得的气体流量,其准确度值也无法确定。从计量的观点来看,这种流量值将是无意义的。
二、用孔板流量计测量天然气流量的研究情况
据资料介绍,许多国家都进行过用孔板流量计测量天然气流量的研究。其中以美国的研究时间*长,内容*多,并取得了很好的成果,本文将着重进行介绍。
大约在1890年以前,美国出售天然气就开始用孔板流量计进行流量测量。随着天然气生产的发展,使用孔板流量计测量天然气流量也在稳步地增加,从而诱使许多研究工作者将注意力转移到研究孔板流量计方面来,组织和指导该项研究的机构也相应成立起来。例如,美国机械工程学会所属的“流量测量委员会”、美国煤气协会(AGA)所属的“气体测量委员会”等等。美国国家标准局在参予这些研究工作的同时,还组织和指导一些公司从事这方面的研究及试验。从那时开始,美国在这方面的研究工作从未停止过,而且研究的内容涉及各个方面,大致包括以下内容:
1、孔板流量计正确安装方法的试验研究。美国进行过固定孔板法兰或夹持器结构、与计量管中心对中产生偏差等对测量的影响;靠近孔板安装各种管道配件及阀门,确定管子配件和阀门产生的干扰对测量的影响;整流器的安装位置和尺寸,测温、测压孔的位置、尺寸及结构,对靠近孔板的计量管粗糙度要求等的试验研究。
2、影响孔板流量计排出系数的试验研究。曾研究过β(β=d/D,d为孔板的孔径,D为计量管的管径)值变化、压差与静压比值变化、管线直径等比变化等对排出系数的影响。
3、用孔板流量计测气体流量时,由同理想气体的定律发生偏差而产生影响的试验研究。
4、超压缩系数影响的试验研究。
1978年以后,为进一步检验不正确使用孔板流量计时对测量准确度的影响,美国丹尼尔公司进行了下列内容的试验研究:用弯曲的孔板;计量管内有凸出物和凹处;孔板与计量管中心不对中;未准确地设置取压孔;厚孔板与孔边缘切成斜角等。这些试验研究涉及的管线尺寸从25.4mm(lin)至381mm(15in), β值在0.04~0.869的范围内。
进行天然气的流量测量时,雷诺数可能高达10⁶~3×10⁷,为研究这种条件下β值和雷诺数对孔板流量计测量准确度的影响,1981~1986年,美国在切沃罗油田的气体处理厂建立了天然气流量校准装置,使用六个临界流喷嘴组,作为校准孔板流量计〔流量计使用三种孔板的孔径:5.osem(2迈)、10.16em(4in)、15.24em(6in)〕的标准流量仪表。通过五年的现场试验研究得出以下结论:
1、直径为5.08、10.16cm的孔板流量计,在计算的不确定度范围内,流出系数同ANsl(A.G.ANo.3报告)和150标准是一致的。直径为15.2c4m的孔板流量计,在给出的中、低日值下,流出系数同标准是一致的,但在β值为0.74时,按ANSI标准计算的流量与喷嘴的流量偏差可能高达-2.0%。
2、在现场条件下,可用被测量的天然气和临界流喷嘴准确地检定孔板流量计。
3、用水为介质,在10⁶~9×10⁵雷诺数范围内确定的孔板流量计流出系数,可扩大到10⁶~3×10⁷雷诺数范围内。
4、在95%的置信度下,喷嘴的流量和孔板流量计的流出系数的*大不确定度分别为士0.33%和士0.35%。不确定度的主要影响来自于校准喷嘴流出系数的不确定度(士0,25%)。
除进行上述研究外,美国煤气协会还进行了确定天然气压缩系数的研究,1962年公布了《确定天然气压缩系数的手册》。为提高天然气超压缩系数计算的准确度,1981年再次进行确定天然气压缩系数的研究,1985年又公布了《天然气与其它烃类气体压缩系数和超压缩系数》的报告。该报告适应气体组成(按摩尔百分数)的范围是:50%~****的甲烷、0~50写的氮气、0一50%的二氧化碳、0~20%的乙烷、0~5%的丙烷、0一3%的丁烷、0一2%的戊烷、卜1%的己烷和更重的烃组分。在上述规定的气体组成下,由计算求得超压缩系数的不确定度:在压力高达10.335Mpa、温度在一51.n一82.22℃的范围内为0.1%;在压力达高17.25Mpa、温度在一62.22一115.56oC的范围内为0,3%;在压力高达68.gMpa、温度一李28.89~204,49oC的范围内为0.5%;在压力高达237.SMpa、温度一128.59~204.49oC的范围内为1%。
从上可以看出,美国针对孔板流量计用于天然气的流量测量,进行了大量、系统的研究和试验工作,并取得**于世界的水平。我们应该利用好这些研究成果,使孔板流量计在我国的天然气流量测量中,发挥其应有的作用。
三、对用孔板流量计测量天然气流量的看法
孔板流量计之所以被**应用于天然气流量的测量领域,是因为它具有以下优点:
1、准确度高。只要认真按照标准要求进行孔板流量计的加工制造和安装,并配具有相应准确度的压差、压力和温度测量仪表,其准确度可达到士0.3%一0.5%。
2、孔板流量计的结构简单,没有可动部件,操作简单,维修工作量少,故能节约投资和运行费用。
3、因能更换不同孔径的孔板,所以孔板流量计能适应的流量变化范围比较大。
4、有大量可利用的试验研究资料。
由于孔板流量计具有这些优点,我们认为:在天然气(特别是外输的天然气)的流量测量中,应大力推广使用孔板流量计。为在天然气的流量测量中能推广使用好孔板流量计,特提出如下看法:
1、用孔板流量计测量天然气流量时所采用的标准。根据目前的情况,应等效采用美国标准—ANsl/API253o(即A.G.ANo.3报告)。因要制定标准,必须做大量的试验研究工作,而这工作美国已经做了,再重复这些工作是没有必要的。另外,等效采用美国标准,可使我们在用孔板流量计测量天然气流量方面的技术水平,跨入目前世界**的水平。
2、为确保用孔板流量计测量天然气流量时能严格执行和使用标准,并使测量结果达到所希望的准确度,还必须制定相应的规程,其内容应包括:符合标准要求,满足各种安装条件的孔板流量计安装图;选用压差、压力和温度测量仪表准确度等级的规定;定期检验和根据流量更换孔板,以及孔板报废的规定;流量计算中有关参数的选用、计算的步骤等的规定。
3、为保证用户能正确使用孔板流量计,制造厂应成套提供检验合格的孔板流量计。成套的孔板流量计将包括:可拆卸或可更换孔板的孔板法兰(孔板固定器),经加工并符合标准的孔板前后的计量管段及整流器,组装好的压差、压力和温度测量仪表,以及相应的运算仪表。同时,制造厂应根据用户提供的流量变化范围,配齐适应流量变化的不同孔径的孔板。
4、测量天然气流量的孔板流量计计量站或计量装置,应经有关计量部门的验收和检定,并取得检定合格证书后,方能投入使用。这样做不仅符合《计量法》的要求,也能使一些不符合标准以及存在的问题及时得到解决,以保证孔板流量计能正常使用。
四、结束语
本文从孔板流量计的推广应用着眼,对用孔板流量计测量天然气流量提出了上述看法。但从促进技术的发展来看,决不能停留在推广应用上,还必须结合国内用孔板流量计测量天然气流量可能存在的间题,开展试验研究,并找出正确的解决方法,以促进该项测量技术的发展和提高。当前,用孔板流量计测量天然气流量所急需要解决问题是:
1、对孔板流量计的检定方法存在不同的看法。有的认为要建流量检定装置进行检定;有的则认为只要按标准测定孔板的几何尺寸,检定压差、压力和温度测量仪表,必要时再测定被测天然气的组分。由于存在这两种不同的认识,有些用孔板流量计测量天然气流量的计量站或计量装置,不得不配音速喷嘴作为与孔板比对的测量仪表。象这种问题,如果通过试验研究,用试验研究的成果说明采用什么方法是正确的,或者说明在什么条件应该采用什么方法,不仅统一了看法,也使测量技术水平得到了提高。
2、无论采用什么方法测量天然气的流量,都有一个确定压缩系数的间题。前面已经介绍了美国确定天然气压缩系数的气体组分范围,以及不同的使用温度和压力条件下所具有的准确度,是我们可利用的试验研究成果。如果美国研究的气体组分覆盖不了我国的天然气组成,就得从我国的实际出发,测得满足我国天然气组成的压缩系数。
3、孔板流量计测量天然气流量的准确度,涉及到压差、压力和温度测量仪表的准确度等级。只有提高这些测量仪表的准确度等级,才有可能使孔板流量计测量天然气的准确度得以提高。
当然,用孔板流量计测量天然气流量所要进行试验研究的课题很多,提出这三个问题是希望说明,提高孔板流量计在天然气流量测量中的技术水平,不仅要肯定推广使用孔板流量计的必要性,而且还要看到有许多技术问题急需我们去研究、去解决。