孔板计量天然气流量产生误差的原因分析.doc
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孔板计量天然气流量产生误差的原因分析
注：
要结合我们的生产实际情况和计量标准6143-1998进行分析
方爱国
（吐哈油田丘东采油厂）
摘要文章主要对在天然气计量中使用最广泛的孔板流量计在流量计量时产生误差的一些原因进行了分析。
主题词天然气流量计量孔板流量计误差
一、前言
孔板流量计在天然气计量方面被最广泛的采用。
孔板流量测量系统一般由节流装置（标准孔板）、差压变送器及数据处理器（开方积算器或计算机）组成。
孔板流量计的主要特点：
优点：
（1）适用于较大口径管道的计量（目前口径大于DN600的流量计一般只能选用孔板）。
（2）无可动部件，耐用。
（3）应用历史悠久，标准规定最全。
（4）制造相对容易，价格便宜。
缺点：
（1）测量范围（量程比）窄，为3：
1，且合理使用的流量是满量程的30%～80%。
（2）压力损失最大，可达25%～50%。
（3）计量准确度受安装条件影响很大。
（4）前后直管段要求长，占地面积大。
（5）计量准确度受人为因素影响大。
（6）不能直接读出计量结果，使用不便。
为了提高孔板流量计在天然气计量的准确度，分析和掌握测量装置本身在使用过程中产生误差的原因是计量工作中必不可少的一项重要工作。
二、测量原理
充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图1所示：
图1.孔板附近的流速和压力分布
流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。
流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。
这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的。
压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质（密度、粘度）不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。
以伯努利方程式和流体流动的连续性方程式为依据，天然气流量计量的实用公式是：
Qn=Ah*α0*γre*bk*Fr*ε*d2*Fg*Fa*Fz*Ft*
式中Qn——标准状态下气体体积流量
Ah——常数，视差压、静压的单位而定，一般为8.6856
α0——特定流量系数
γre——测量管内壁流量修正系数
bk——孔板入口边缘锐利度修正系数
Fr——雷诺数修正系数
ε——气体膨胀系数
d——孔板在20℃下实测的开孔口径
Fa——孔板热膨胀修正系数
Fg——天然气相对密度修正系数
Fz——超压缩系数
Ft——流体流动温度修正系数
——孔板上游侧绝对压力
——气体流过孔板时的差压
三、误差因素分析
1、基本误差
由测量装置本身准确度所决定的误差。
由于孔板流量计测得的流量是根据差压信号间接求得的。
从公式可以看出，影响测量准确度的主要因素是α、F、ε等值。
必须保持α、F、ε均为恒定值，才能达到差压和流量之间有恒定的对应关系。
但在实际生产中，α、F、ε都与某些因素有关，特别是流量系数α，它是一个影响因素复杂，变化范围大的重要系数，如果在测量过程中不能保证α为恒定值，则测量误差将会较大。
从资料和实验证明，流量系数α值与取压点位置、孔板的开孔截面积和管道截面积比（m=d2/D2）、雷诺数、管壁粗糙度、孔板入口边缘尖锐度有关。
所以，标准孔板的选用应符合下列技术要求：
（1）标准孔板的技术要求
1）孔板相对于开孔直径d的轴线中心对称；
2）孔板上游端面A应于下游端面B平行，并且与开孔直径d的轴线垂直；
3）孔板A面、B面应无可见的损伤；
4）孔板开孔直径d的上游测直角入口边缘G应锐利，无毛刺和划痕。
5）孔板开孔直径d的内圆柱表面长度e应符合：
0.005D≤e≤0.02D；
6）孔板的厚度应符合：
e≤F≤0.005D；
7）孔板下游侧出口边缘H和孔板开孔圆柱形下游侧出口边缘I应无毛刺、划痕和可见损伤；
8）标准孔板在使用过程中，会由于天然气的侵蚀而产生变形，从而引起流量系数增大而产生测量误差。
因此孔板的材质也是保证孔板工作可靠和测量准确的一个因素。
用于天然气测量的孔板采制一般为：
Cr17、1Cr18Ni9TiC以及其他耐酸钢。
整套流量计的精确度还决定于差压变送器和流量显示仪的精确度。
但是当其他参数的精确度不高时采用高精度差压变送器并不能起多大作用。
流量显示仪的作用主要在监视运行参数的稳定性等方面，它的数据转换精度一般是无问题的。
因此，要提高测量的精确度应有一个全面估计，这样才能作出技术经济性最佳方案的选择。
差压仪表本身的精度也是造成基本误差的原因。
如果差压仪表的零点漂移，会使测量结果与实际值相差较大。
2、附加误差
在流量计的安装和使用过程中，没有严格遵守技术要求和设计所提供的数据而找成的误差。
这种误差的大小是无法估计的。
但是通过对造成误差因素的分析，可以将误差降低。
孔板流量测量系统安装使用时，必须符合下列技术要求：
1）孔板安装时，他的开孔中心和管道中心轴线同心，而且它的端面与管道轴线垂直；
2）孔板上、下游侧取压孔轴线符合距孔板上、下游端面的距离为25.4±0.8mm的要求；
3）取压孔的轴线应与孔板上下游侧2D测量管长度的内圆柱的轴线垂直，取压孔的轴线与孔板两端面向外倾斜角的夹角不大于3度。
取压孔直径不应大于0.08D；
4）孔板安装需要前后直管段，直管段的长度与孔板上游侧局部阻力件的形式和直径比β有关，其确定方法如下表：
表.孔板与阻流件之间所要求的直管段长度（无流动调整器）
（数值以管径D倍数表示）
直径比β
孔板上游侧（入口）
单个90o弯头
两个90o弯头
在任意平面
（S＞30D）
在同一平面上的两个90o弯头，S形状
（30D≥S＞10D）
在同一平面上的两个90o弯头，S形状
（10D≥S）
在垂直平面上的两个90o弯头，
（30D≥S≥5D）
在垂直平面上的两个90o弯头，（5D＞S）
单个90o三通
单个45o弯头在同一平面上的两个45o弯头，S形状（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
直径比β
孔板上游侧（入口）
孔板下游侧（出口）
渐缩管在1.5D到3D的长度内由2D变为D
渐扩管在D到2D的长度内由0.5D变为D
全孔球阀或闸阀全开
对称突缩管
温度计套管或插口直径小于0.03D
前面全部阻流件类型和密度计套管
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
恶劣的安装条件，可能的话采用流量调整器。
温度计套管的安装不会变更其上游侧的最小直管段长度。
最小直管段长度是指孔板的上下游阻流件与孔板之间的长度，该长度是从最靠近的弯头或三通的曲面部分下游末端或渐缩管和渐扩管的锥管部分下游末端测量起。
5）差压信号管路的安装
差压信号管路是指节流装置与差压变送器（或差压计）的导压管路。
它是孔板流量计的薄弱环节，据统计孔板流量计的故障中引压管路最多，如堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等等，约占全部故障率的70％，因此对差压信号管路的配置和安装应引起高度重视。
（1）取压口取压口一般设置在法兰上，当测量管道为水平或倾斜时取压口的安装方向如图2所示。
它可以防止测液体时气体进入导压管或测气体时液滴或污物进入导压管。
当测量管道为垂直时，取压口的位置在取压位置的平面上，方向可任意选择。
不同温度条件下取压接头的安装方法如图3所示。
图2.取压口位置安装示意
图3.在管道上安装取压接头的方法
（2）导压管导压管的材质应按被测介质的性质和参数确定，其内径不小于6mm，长度最好在16mm以内，各种被测介质在不同长度时导压管内径的建议值如下表所示。
导压管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1：
12，粘度高的流体，其倾斜度应更增大。
当导压管长度超过30mm时，导压管应分段倾斜，并在最高点与最低点装设集气器（或排气阀）和沉淀器（或排污阀）。
正负导压管应尽量靠近敷设，防止两管子温度不同使信号失真，严寒地区导压管应加防冻保护，用电或蒸汽加热保温，要防止过热，导压管中流体汽化会产生假差压。
表.导压管的内径和长度
导压管长度/mm
＜16000
16000～45000
45000～90000
导压管直径/mm
被测流体
水、水蒸气、干气体
7～9
10
13
湿气体
13
13
13
低、中粘度的油品
13
19
25
脏液体或气体
25
25
38
6）测量气体温度的温度计最好安装在孔板下游侧直管段以外的地方，计算气量时应将此时所测的气流温度换算成孔板上游侧的气流温度，如果温度计安装在孔板上游侧，则温度计套管与孔板之间的直管段长度L应满足下列规定：
当温度计套管直径不大于0.03D时（D为计量管内径），L≥5D；
当温度计套管直径在0.03D至0.13D范围内时（D为计量管内径），L≥20D；
孔板节流装置安装于现场严酷的工作场所，在长期运行后，无论管道或节流装置都会发生一些变化，如堵塞、结垢、磨损、腐蚀等等。
检测件是依靠结构形状及尺寸保持信号的准确度，因此任何几何形状及尺寸的变化都会带来附加误差。
麻烦的是，测量误差的变化并不能从信号中觉察到，因此定期检查检测件是必要的。
可以根据测量介质的情况确定检查的周期。
孔板流量计是一种从设计、制造到安装使用要求很严格的仪表，任何一个环节的失误都会产生很大的误差，因此，如果严格遵循标准规定，它的精确测量是可保证的。
孔板流量计的重复性与其他流量计（电磁式，容积式，涡轮，涡街等）相比要低，其原因为输出信号为模拟值易受干扰，尤其差压引压管线这一环节易使信号产生干扰波动，正是由于重复性不高，影响到其精确度的提高。
以上是分析的计量产生误差的原因，目的是为了要尽可能的消除或减少误差。
我们应当根据误差产生原因，对症下药，采取相应措施，提高天然气流量计量的准确度。
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