摘要：氣體(ti)超聲流童計 與(yu) 孔闆流量計 在(zai)天然氣工業中(zhong)應用的兩個主(zhu)要方面流體流(liú)動特性對儀表(biǎo)性能的影響和(he)流童計的幹校(xiao)問題進行比較(jiao),分析它們存在(zai)的🎯問題及發展(zhan)前景。還對其它(tā)儀表性能進🏒行(háng)了比較。
　　90年代以(yǐ)來,氣體超聲流(liu)量計在天然氣(qi)工業中的成功(gōng)🚶‍♀️應✨用㊙️有突破性(xing)的進展,一些天(tiān)然氣流量計量(liàng)的疑難問題可(ke)望獲得解決。據(ju)稱由于正确率(lǜ)高和維修費用(yòng)低,多聲‼️道氣體(tǐ)超聲流量計已(yi)被氣體工業界(jiè)接受。多🌈聲道氣(qì)體超聲流量計(ji)是氣體渦輪流(liú)量計後被氣體(ti)工業界接受⭐的(de)最重要的流量(liang)計量器具。目前(qian)美國🍉氣體協會(huì)(AGA)已經完成AGAeReortNo.9“用超(chao)聲流量計測量(liang)氣體流量”草案(an)閉。制定有關國(guó)家🌍标準與國際(ji)标準的準備工(gong)作正在㊙️進行。至(zhi)今,已有12個國家(jia)的政府機構批(pi)準氣體超聲流(liu)量計爲🏒法定計(jì)量器具國外天(tiān)然氣工業在貿(mào)易輸送,氣體分(fen)配、調合、控制和(hé)檢🍓漏等方面都(dou)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻廣泛采用它。對(duì)天然氣工業中(zhōng)傳統的計量儀(yí)表孔闆流量計(jì)與新型的👉氣體(tǐ)超聲流量計在(zai)儀表性能的兩(liǎng)個主要方面:流(liu)💰體流✂️動特性對(duì)儀🔴表性能的影(yǐng)響和流量計的(de)幹校問題進行(hang)比較,分🏃‍♂️析它們(men)存在的問題及(ji)發展前景。
流體(tǐ)流動特性對儀(yi)表性能的影響(xiang)
　　孔闆流量計和(he)氣體超聲流量(liàng)計都是對流體(ti)流動特性變化(huà)敏感的儀表,如(rú)何消除不正常(chang)流動特性對儀(yi)🌈表性能的🌏影響(xiang)☁️一直是這二類(lèi)儀表的主題之(zhī)一。現在可以看(kan)到兩者🛀🏻解決此(ci)問題的方法有(you)很大⭐差别,在技(ji)術和經濟兩方(fāng)面亦💋有不同有(you)效果,分析它們(men)的特點,對今後(hou)流量計的發展(zhan)是有現實意義(yì)的。
l孔闆流量計(ji)
　　本世紀20年代起(qǐ)人們就對流體(ti)流動特性對儀(yi)表性能的影🌏響(xiang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼進行過大量的(de)試驗研究,爲了(le)準備孔闆流量(liàng)計AGA(美國氣🐆體協(xié)會)報告,從1924年到(dao)1935年美國進行過(guo)10年試驗研究,研(yan)究項日多達14項(xiàng),其中大部分是(shì)關于☔流體流動(dong)特性的影‼️響試(shì)驗。幾乎同時歐(ou)洲亦進行同樣(yang)内容的孔闆流(liu)量計💜試驗研究(jiū),這😘些都爲制定(ding)節流式差壓🚶‍♀️流(liu)量計國際标準(zhǔn)奠定了基礎。現(xiàn)在ISO5167中🚶‍♀️關于節流(liu)裝置上下遊必(bi)✊要的最短直管(guǎn)段長度的規💞定(ding)就是這些試驗(yan)💞研究的總結,在(zài)各類流量計中(zhong)它的數據是最(zuì)具權威性的。但(dan)是亦應看到,這(zhè)些規🚶定不但在(zai)内容上存在很(hen)大的争議,而且(qie)🔞在實際上也遠(yuan)不能滿足現場(chang)的需要。ISO5167第一版(bǎn)(1980年)投票表決通(tōng)過時,孔闆流量(liang)計資料主要提(ti)供國美國卻投(tóu)了反對票,其原(yuán)㊙️因之一就是不(bú)同意标♊準中關(guān)于直管段長度(dù)的規定。由此引(yǐn)發80年代歐洲和(he)美國對孔闆流(liu)💘量計進行10餘年(nián)的大💁規模研究(jiū)試驗,至今它已(yǐ)取得巨大的成(chéng)果,準備對ISO5167一1(1991年(nian))[,〕進行修訂,修訂(ding)㊙️的主要内容之(zhī)一就是關于直(zhi)管段長度💰的規(guī)定。
孔闆流量計(jì)爲解決此問題(tí)進行研究試驗(yàn)有以下🌏特📱點🏃🏻‍♂️:
(l)确(que)定幾種典型的(de)阻流件類型(ISO5167中(zhōng)爲7種),進行各種(zhong)口徑🌂,b值,雷諾數(shu)範圍的試驗,确(què)定在參比工作(zuò)條件下(充分🙇🏻發(fā)展🏃‍♂️管流)所需的(de)最短直管段長(zhǎng)度。
(2)爲縮短必要(yào)的直管段長度(du),在上遊側安裝(zhuang)流動調整器(整(zhěng)流器),開發出幾(ji)種類型的流動(dong)調整器(ISO5167中爲5種(zhong))。
(3)流動特性中關(guan)于非定常流(如(ru)脈動流)提出技(ji)術報告(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動(dòng)流的抑制及誤(wù)差估計提供一(yī)些數據供使用(yòng)參考。
盡管已經(jīng)取得上述成果(guǒ),但是要應付現(xian)場的需要仍感(gan)很不♈滿足:
(l)現場(chang)的阻流件類型(xíng)遠多于标準中(zhōng)提供的,并且阻(zu)流件之間的❤️組(zu)合形式層出不(bu)窮,因此現場總(zǒng)感覺🔴有些💃🏻問題(ti)有待解決,例如(rú)天然氣輸配氣(qì)計量站出現較(jiao)普遍的旋💰風分(fèn)離🈚器和彙管在(zài)标準中就沒有(you)規定。
(2)試驗研究(jiu)需花費巨大的(de)人力物力,一種(zhong)類型阻流件需(xū)進行各種口徑(jing)的試驗,每種口(kǒu)徑有一系列的(de)月值,還有雷諾(nuò)數(流📧量)範圍變(biàn)化的試驗,可以(yǐ)想象,這種排💃列(lie)組合方式的試(shì)驗工作量有多(duō)麽巨大,實在是(shi)不勝負擔的一(yī)項工作。
(3)采用流(liú)動調整器以縮(suo)短直管段長度(dù)不是一種好辦(ban)🤞法,它會帶來附(fù)加壓損,流體中(zhōng)雜質易在其中(zhong)堵塞,增加現場(chang)使用維🆚護的工(gōng)作量。
(4)非定常流(liú)的特例脈動流(liu)測量雖然有一(yi)個ISO技術報告(ISO/TR3313)可(kě)參考,但實際上(shang)孔闆流量計是(shì)不适合用于脈(mò)動流測量🙇🏻的,其(qi)原因是信号(差(cha)壓)與流量爲非(fēi)線性‼️關系(平🔞方(fāng)關系),引壓管線(xiàn)使信号遲滞及(jí)畸變,節流件對(dui)脈動波産生障(zhàng)礙形成波🌂的反(fan)射等等。
2氣體超(chāo)聲流量計
　　新型(xing)的氣體超聲流(liu)量計采取多聲(shēng)道配置的方案(àn)來🌍對💋付速👌度分(fen)布畸變及旋轉(zhuan)流等不正常流(liú)動特🧑🏽‍🤝‍🧑🏻性的㊙️影響(xiǎng)。例如多聲道氣(qi)體超聲流量計(jì),其工作原理如(ru)圖l所示。流量計(jì)的檢測件是一(yī)個帶有5個超聲(sheng)通道(聲道)的圓(yuan)形短💞管,這5個聲(shēng)道是這樣組成(cheng)的:采用2個具有(you)二次反射的聲(sheng)道和3個單反射(shè)聲道,它們組成(chéng)爲一個超聲通(tōng)道網絡,對整個(ge)管道橫截面積(jī)都能進行分析(xī),在🙇‍♀️分析速度分(fen)布畸變與旋轉(zhuan)流對測量值影(ying)響的基礎上制(zhi)定儀表信号處(chu)理方案。這種解(jie)決不正常流動(dong)特性的方法有(yǒu)以下特點:
(l)氣體(ti)超聲流量計檢(jiǎn)測件是一段無(wu)阻礙物的圓管(guan),與孔闆流量計(jì)中有節流件阻(zǔ)礙相比對流動(dong)特性的影👄響較(jiào)易分析。由于檢(jiǎn)測件形狀的特(te)殊性,而超聲流(liú)量計的檢測件(jiàn)是一段圓管,在(zai)流體力學專業(ye)資料中可以找(zhao)到許多參考資(zi)料,因此二者處(chù)理此🌂問題所依(yi)靠的背景資料(liào)有很大差别。
(2)氣(qi)體超聲流量計(jì)處理此問題是(shì)采取分析對象(xiàng),制定檢測策略(luè)的方法,孔闆流(liu)量計則進行一(yi)個個阻流件試(shì)驗,無論🥵技術🈲上(shàng)或經濟上其效(xiao)率與效果都很(hěn)不相同,氣體🥰超(chao)聲流量計的優(yōu)點是顯然的。
(3)目(mu)前發展多聲道(dào)檢測件隻能在(zài)較大口徑(DN150以上(shàng))應用,今後中小(xiao)口徑如何解決(jue)相信氣體超聲(shēng)流量計是會找(zhǎo)到🏃🏻‍♂️解決辦法的(de)。

　　流量(liang)計的幹校一一(yi)儀表系數的偏(piān)離問題對于大(da)口🤞徑(DN200以上)流㊙️量(liàng)測量來說,流量(liang)計能否實行幹(gan)校(無👉需實流校(xiào)♻️驗)是🍉推廣應用(yong)的一個關鍵因(yin)素,某些情況下(xià)甚⚽至是用🤞戶采(cai)用與否的決定(ding)性因素。孔闆流(liu)量計借助🚶‍♀️國際(jì)上長期的試驗(yàn)研究及實踐經(jing)驗的總結,早在(zài)30年代就開始實(shí)行儀表的幹校(xiao),這是它獲📱得廣(guang)泛應用👄的🍉重要(yao)原因。氣體超聲(shēng)流量計若🚶‍♀️要在(zài)✍️天然氣工業輸(shū)配氣計量站得(de)到廣泛應用,幹(gàn)校可能是一個(ge)必要條件,一般(bān)來說輸配氣💛計(jì)量站管線都是(shi)中大口徑的。
　　幹(gan)校是儀表投用(yòng)前确定流量計(ji)儀表系數(或流(liú)出系數)的一種(zhong)方法,但是更重(zhòng)要的是幹校确(què)定的儀㊙️表系數(shu)在現場是否适(shì)用以及能否保(bao)持長期穩定。
l孔(kong)闆流量計
　　孔闆(pǎn)流量計幹校後(hòu)在現場使用時(shi)其流出系數可(kě)能偏離标準值(zhi)的影響因素如(ru)表l所示。

由表可(ke)見:
(l)結構的偏離(lí)有些是制造時(shi)産生的,有些則(ze)是在長期使用(yong)中由✏️于流體介(jiè)質腐蝕、磨損、沽(gū)污等造成的,後(hou)者🚶是更難解決(jué)的✌️問題。
(2)管線布(bu)置的偏離是普(pǔ)遍性的,現場不(bu)能滿足直管段(duàn)長度要求🧑🏽‍🤝‍🧑🏻配置(zhì)流動調整器不(bú)是一個好辦法(fǎ),前面已談過,除(chu)此以外,隻有增(zeng)大測量誤差了(le)。
(3)使用的偏離,現(xiàn)場情況千變萬(wàn)化,很難維持實(shi)驗室的參比工(gong)作條件,這是現(xian)實情況。對于天(tian)然氣工業在原(yuán)料氣測量領域(yu)(氣井到處理廠(chǎng)之間的天然氣(qi)),這一問題更爲(wèi)♌突出,孔闆流量(liàng)計在此領域基(ji)本上是不适用(yong)的。
　　我國制定的(de)天然氣行業标(biāo)準SY/T6143一1996《天然氣流(liú)量的标準✉️孔闆(pan)計量🏒方法)中特(tè)别增加一個附(fù)錄(節流裝置在(zài)使用中⛱️出現部(bu)分偏離标準規(guī)定的處理》說明(míng)天♍然氣從地層(ceng)中開采出來,雖(sui)經分離,除🐅塵和(he)過濾,因🔴其所含(hán)成份十分複雜(zá),從單井計量,集(jí)氣計量到配氣(qì)計量,氣質組分(fen)各不相同,所以(yi)節流裝置在作(zuò)用㊙️中其沖刷、腐(fǔ)蝕亦各不相同(tong),特别對孔闆直(zhi)角人口邊緣和(hé)測量管内壁的(de)沖刷腐蝕尤爲(wèi)嚴重,因此在實(shi)際應用中采取(qǔ)在💘流出系數中(zhōng)增加二個修正(zheng)系數,即孔闆🏃🏻人(ren)口尖銳度修正(zhèng)系數和管壁粗(cū)糙度修🎯正系數(shu)。這種解決辦法(fǎ)實在是不得已(yǐ)而爲之,其效果(guo)并不理想。
　　孔闆(pǎn)流量計易于偏(pian)離标準的原因(yin)應該從儀表本(běn)身的工♻️作原理(lǐ)與結構特點去(qu)尋找。由于儀表(biǎo)特性取決于節(jie)流裝置的幾何(hé)形狀及尺寸,現(xian)場的長期應用(yòng)難免不産生磨(mo)損⛱️、腐蝕和積垢(gou)等使幾何形狀(zhuang)及尺寸改變的(de)情況,引壓管線(xian)是孔闆流量計(ji)易發生故障的(de)部件,據統計由(yóu)👈于引壓管線😍堵(dǔ)塞、洩漏、凍結等(deng)使信号🐇不♍正常(cháng)約占儀表故障(zhang)率的70%,其他💰如不(bu)正常流動👌特性(xing)引起的測量誤(wu)差隻能采取一(yī)些消👈極的辦法(fa)解決。
氣體超聲(shēng)流量計
　　氣體超(chao)聲流量計目前(qián)尚未普遍實行(háng)幹校,但從儀表(biǎo)工✂️作原理及結(jie)構上看實行幹(gan)校是可能的困(kùn),隻是目🔴前成🛀熟(shu)程度(幹樣的🌏必(bi)要條件)尚不能(neng)與孔闆流量計(jì)♈相比,隻要加強(qiáng)理論探讨積累(lei)實踐經驗,實♋行(hang)幹校隻是時間(jian)上的問題。
以下(xia)我們來探讨一(yi)下幹校後會不(bú)會出現與孔闆(pan)流♋量計一🆚樣的(de)問題,這是更爲(wèi)重要的方面。
氣(qi)體超聲流量計(ji)的流量方程。

式(shi)中
qv—體積流量;
L—超(chao)聲波在流體中(zhōng)的傳播路徑長(zhǎng)度(聲道長度);
A—管(guǎn)道橫截面面積(ji);
Ψ—超聲波傳播方(fāng)向與流體流向(xiang)之間的夾角(聲(shēng)道角);
tab—超聲波從(cóng)換能器a到換能(néng)器b的傳播時間(jiān);
t、—超聲波從換能(neng)器b到換能器a的(de)傳播時間;
K—儀表(biao)系數。
　　由式(l)可見(jian),體積流量的測(cè)量準确度決定(ding)于3部分:時間差(chà),結構參數L,A, Ψ等的(de)測量誤差和儀(yi)表系數K的準确(que)度。
(l)與孔闆流量(liang)計相比較,氣體(tǐ)超聲流量計沒(mei)有如節流裝置(zhi)幾何形狀及尺(chǐ)寸變化影響儀(yí)表特性的問題(tí),聲道長度,聲道(dao)角及管道橫截(jie)面面積是比較(jiao)恒🙇🏻定的參數,亦(yi)沒有引壓管線(xiàn)之類易引起故(gu)障的部件,根據(jù)現場條件确✉️定(ding)儀表系數及維(wéi)持長期穩定🏃🏻‍♂️是(shi)比較可能🙇‍♀️的。
(2)解(jie)決速度分布畸(jī)變與旋轉流的(de)方法與孔闆流(liu)量計不同,沒🏃‍♂️有(you)阻流件對号人(rén)坐的問題,亦不(bu)采用會引起副(fu)作用的😍流動調(diào)整器,它是從聲(shēng)道設置方案人(ren)手,更着重于軟(ruǎn)測量👉方法解㊙️決(jue)問題,便于應付(fu)現場複雜多變(bian)的條件。
(3)對非定(dìng)常流測量,氣體(ti)超聲流量計是(shì)完全适合的,其(qi)原☁️因由儀表工(gong)作原理與結構(gòu)所決定:①信号與(yu)流量(流👣速)爲線(xiàn)性關系;②檢測🈲件(jiàn)内無阻礙物;③非(fei)接觸測📧量;④測量(liàng)采用高速數字(zi)信号處🚶理技術(shu)。這些特點使它(tā)可以快速響應(ying)流㊙️體流動的動(dòng)态變化。
其他儀(yí)表性能的比較(jiào)
1範圍度
　　孔闆流(liú)量計範圍度窄(zhai)(約爲3:1一4:1),近年來(lái)雖從多方面采(cǎi)取措施拓寬其(qi)範圍度,如采用(yong)寬量程差壓變(bian)送器,多台差壓(yā)變送器并聯使(shǐ)用,采用可換孔(kong)闆節流💁裝置以(yi)及智能流量顯(xian)示儀等等,但與(yu)💘氣體超聲流量(liang)計相比未免遜(xùn)色。氣體超聲流(liú)量計範圍度可(ke)達40:1(DN150)一160:l(DN75O),在實際使(shi)用中流量計可(ke)測流量(流速)下(xia)限值是一個更(gèng)重要的指标,我(wo)國大口🔞徑氣體(tǐ)管道系⁉️統普遍(biàn)運行低流速範(fan)🐉圍(流速✏️上限值(zhí)僅5m/s,或更低),使得(de)流量計選型困(kùn)難。氣體超聲流(liú)量計下限☀️流速(su)偏差如表2所示(shì)。
　　如管徑爲DN125時,測(cè)量誤差爲1%,則下(xià)限流速可達:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管(guan)徑爲✨DN1600時,測量誤(wu)差爲l%,則下限流(liú)速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.

　　據資料(liào)介紹,在天然氣(qi)輸配氣計量站(zhàn)中,一座用孔闆(pan)流量計🛀做爲計(ji)量儀表的計量(liàng)站,爲滿足範圍(wéi)度的要求,需設(shè)置4條DN400mm管線,如采(cai)用氣體超聲流(liu)量計則🐆隻需設(she)置2條DN600mm管線或一(yi)條ND700mm管線,這樣采(cǎi)⛱️用氣體超聲🐇流(liu)量計可節省一(yī)次性投資10一40%,節(jiē)省占地👣空間50一(yi)75%,并㊙️且精度更高(gāo)🌍,工作更穩定,維(wei)護量更少。
2壓力(lì)損失
　　孔闆流量(liang)計以壓損大著(zhe)稱,而氣體超聲(shēng)流量計恰是無(wú)壓🌈損(僅相當于(yu)一段管道)儀表(biǎo),對于大口徑,這(zhe)個特點很重要(yào),它可以節約能(néng)耗或适用于低(dī)靜壓氣體管道(dào)系統的測量。
3儀(yi)表造價
　　對于孔(kǒng)闆流量計随着(zhe)口徑增大,檢測(cè)件造價及安🏃裝(zhuāng)成本大幅度提(ti)高,而氣體超聲(sheng)流量計的檢測(ce)件❓制造成本與(yu)口徑大小的關(guan)系僅相當于管(guan)道價值的增加(jiā),因此它是一種(zhong)特别适用于大(da)口徑的儀表。
4使(shi)用維護
　　孔闆流(liu)量計由3部分組(zǔ)成:節流裝置、 差(chà)壓變送器 和流(liú)量顯示儀。在現(xiàn)場惡劣工作條(tiáo)件作用下節流(liú)裝置與差㊙️壓📐變(biàn)送器及其連接(jiē)部分引壓管線(xiàn)是使用維👅護的(de)重點,天然氣輸(shu)🍉配氣計量站爲(wèi)經常檢查孔闆(pan)的質量,常增設(she)旁路管或采用(yong)價格昂貴的可(kě)換孔闆節🏒流裝(zhuang)置,這🥵些都使儀(yi)表及其輔助設(shè)備造價增加,也(ye)增加了維護工(gōng)作量。氣體超聲(sheng)流量計檢測件(jian)比較牢固,維護(hù)工作量少,甚至(zhì)可做成插人式(shì)探頭,在不斷流(liú)情況下取🔞出維(wéi)修。
　　氣體超聲流(liú)量計與孔闆流(liú)量計在天然氣(qì)工業中📧的應用(yòng)🔱進💛行一些比較(jiào),由上述可見,在(zai)大口徑測量方(fang)面,氣體超聲流(liu)量⛱️計無疑更爲(wei)優越。孔闆流量(liang)計畢竟已經發(fa)展數十年至上(shang)百年曆史🏃‍♂️,全世(shi)界流量工作者(zhe)都對它進行過(guo)巨大的理論與(yu)實踐工作,取得(de)極爲豐富的經(jing)驗,相比👣之下,氣(qì)體超聲流量計(ji)僅🥵剛嶄露頭角(jiao),尚需通過實踐(jian)走向成熟,至于(yú)中小口徑方面(miàn),需作更多的工(gong)作。

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