孔板流量計是一種廣泛應(yīng)用于石化工業(yè)的流量測量儀表。目前天然氣計量己制定了許多相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計量檢定規(guī)程等,但尚未形成完整體系,與國外相比尚有較大差距。本文主要探討了天然氣孔板流量測量中準(zhǔn)確度要求,分析了影響測***不確定度的幾種因素,提出引起流景測量誤差的各種原因,這對于孔板流量計的使用具有一定的指導(dǎo)作用。

0.引言

在眾多的能源中，天然氣作為一種清潔的燃料和優(yōu)質(zhì)原料，不但提髙了人們的生活質(zhì)量，而且還保護(hù)了我們賴以生存的環(huán)境?？装辶髁坑嬜鳛橹饕臏y量儀表，在20世紀(jì)初使用于天然氣流量測量，目前已成為全世界***主要的天然氣流量,計。近幾年來天然氣流量計計量相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布實施, 我國天然氣計量專業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)為《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣 流量》SY/T6143-2004)。

1.天然氣孔板流量計的組成

孔板流量計是將標(biāo)準(zhǔn)孔板與差壓變送器配套組成的差壓式流量裝置，可測量氣體、蒸汽、液體及天然氣的流量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、供熱、供水等領(lǐng)域的過程控制和測量。如圖1所示。

2.天然氣孔板流量計的工作原理

2.1測量原理

孔板流量計是以相似原理為根據(jù)，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時流量計。天然氣孔板流量計基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動阻力件時產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系,通過測量差壓值求得流體流量。

2.2流量方程

式中：Q為體積流量；P為直徑比，P=d/D; d為工作條件下節(jié)流件的孔徑；D為工作條件下上游管道內(nèi)徑；Ao為節(jié)流件的開孔截面積；C為流出系數(shù)；AP為節(jié)流裝置前后實際測得的差壓；p為節(jié)流裝置上游流體密度；￡為可膨脹系數(shù)。

2.3流動狀態(tài)的要求

板流量計的流出系數(shù)C是在特定的實驗室參比條件下,通過大量的實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計算方法。因此，為了保證測量精度，對于氣流流動狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求：

2.3.1流體必須是牛頓流體，在物理學(xué)和熱力學(xué)上是均勻的、單相的，或者可認(rèn)為是單相的流體。

2.3.2流體流動是穩(wěn)定流或隨時間變化不大的緩變流。

2.3.3流體必須滿管流，流經(jīng)節(jié)流件前流動應(yīng)達(dá)到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)節(jié)流件時不發(fā)生相變。

2.3.4流體通過孔板節(jié)流裝置的流動，必須保持孔板下游靜壓與孔板上游靜壓之比不小于0.75,管道雷諾數(shù)Re3:5000(角接取壓)和管道雷諾數(shù)Re為1260P2D(法蘭取壓)。

3.天然氣孔板流量計不確定度分析

由于存在取壓方式（角接取壓、法蘭取壓）的影響；流量計算假設(shè)條件等因素的影響；孔板加工、安裝等技術(shù)要求。孔板流量計的使用和流量計算必須嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定，否則，其流量測量的不確定度無法計算或誤差較大。

根據(jù)天然氣孔板流量計的流量方程（公式1)可知，影響流量測量的精度主要由流出系數(shù)C可膨脹系數(shù)、差壓和天然氣的物性。

3.1流出系數(shù)不確定度變化

流出系數(shù)C是為了補償任意兩點的摩擦影響所列人的一個經(jīng)驗系數(shù)，它與節(jié)流件的幾何形狀、取壓位置及雷諾數(shù)等有關(guān)，通常由試驗確定。當(dāng)直管段長度符合SY/T6143—"2004的規(guī)定的節(jié)流前10D和節(jié)流后4D長的測量管，圓度滿足不大于:t 0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則流出系數(shù)不確定度Sck只隨p值的不同而不同。此時，當(dāng)p動.6時，則Sc/c=±0.6%;當(dāng)p>0.60時，則 &/c=^3%w0 3.2天然氣可膨脹系數(shù)不確定度變化

當(dāng)所測天然氣流經(jīng)孔板時，由于流速和壓力的改變而伴隨著密度的改變(氣體壓力從Pl降為fh,因膨脹而使密度減小),為適應(yīng)此種變化以修正因假設(shè)密度等于常量而對流量引起的偏差，因此必須加人一個系數(shù)，這個系數(shù)被稱為可膨脹系數(shù)e對于天然氣而言，可膨脹性系數(shù)的不確定度為：Se/e=±4(Ap/pi)%

它與孔板流量計實測差壓Ap成正比，與靜壓p,成反比。目前在天然氣計量中差壓值一般在50000Pa之內(nèi)，靜壓在1-lOMPa范圍內(nèi)，因此8e/e***小為±0.00002%,***大為±0.2%或更大。

3.3天然氣密度測量不確定度5p/p

密度取值按測量方法的不同而異，其一為直接密度測量，由密度計直接決定其值；天然氣密度測量的不確定度Sp/p***小為±1.013%,***大為±1.571%或更大。

3.4差壓P的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143—2004中的流量實用公式在應(yīng)用能量方程導(dǎo)出過程中，規(guī)定測量管道水平(包括上、下游側(cè)的測量管)。因此，其上、下游取壓口的位置差為零，差壓Ap則是在孔板上、下游側(cè)所規(guī)定的取壓口位置上量得的靜壓之差。=1.96x%/(0.006)2 +(0.0000002)2 +(0.01013)2 +(0.008)2 =±2.7%

式中：5為差壓計的精度等級；為差壓計的量程；

知/為預(yù)定差壓測量值。

由此可見，當(dāng)所用差壓計的精度為0.5級，量程為0~ 600kpa,預(yù)設(shè)差壓測景值為300kpa時，對于天然氣孔板流景計，置信概率為95%的測量總不確定度為：

天然氣流量測量的總不確定度，據(jù)SY/T6143-2004規(guī)定，實際上就是測量系統(tǒng)的測量值與真值比較，置信概率為95%的準(zhǔn)確度，其測量的總不確定度SQn/Qn***小為±0.82% , ***大為±4.52%或更大。

4.孔板流量計使用中的測量誤差分析

在實際應(yīng)用時，對于孔板流量計如果使用不當(dāng)，會造成很大的測量誤差，有時可達(dá)到20%左右。在流量計的使用中，如何減少其測量誤差，必須考慮流量的測量原理和結(jié)構(gòu)形式，注意使用條件和測量對象的物理性質(zhì)是否與所選用的流量計性能相適應(yīng)。下面就其測量誤差進(jìn)行分析：

4.1流量計算方程描述流體是充滿圓管的、充分發(fā)展的定常流。若流動狀態(tài)真實性無法確定，如果仍按照原有的儀表常數(shù)推算流量，將與實際流量存在誤差。

4.2天然氣以甲烷為主加上乙烷和其他少量的輕烴，真實相對密度小于或等于0.75。由于被測介質(zhì)實際特性的不確定因素，以及實際物性變化影響儀表正常工作等對流量測量的不確定度產(chǎn)生影響。

4.3孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、裝配、安裝、檢驗和使用必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部技術(shù)要求。由于各個裝置自身及環(huán)境條件因素引起的不確定因素。

4.3.1孔板安裝不正確

管道水平安裝，如果孔板開孔中心與管道中心線不同心；如果在安裝過程中存在引壓管堵塞及墊片等凸出物，則會造成孔板前后壓差測量不準(zhǔn)確，從而造成測量誤差。

4.3.2孔板入口邊緣被磨損

在使用中，由于流體的磨蝕作用，使孔板的人口邊緣變鈍，被磨成圓形入口邊緣。結(jié)果是在相同的流量下，孔口收縮系數(shù)變大，造成差壓發(fā)生變化，造成測量誤差。

4.3.3孔板表面的結(jié)垢

長期使用時，孔板表面結(jié)據(jù)，使孔板的流通面積變小，從而造成差壓增大，使流量計測量值大于實際值，影響計量精度。

4.4差壓變送器零點漂移和量程設(shè)置不當(dāng)

由于時間較長，變送器的零點會發(fā)生漂移，這時差壓變送器的輸人和輸出信號發(fā)生變化。若不及時調(diào)整，會造成實測流量值偏低或偏高。

5.結(jié)束語

客觀地講，在采用孔板流量計測量天然氣流量時，對孔板流量計的一次裝置（孔板節(jié)流裝置）和二次儀表（差壓、靜壓、溫度、被測介質(zhì)物性等）的選擇、設(shè)計、安裝、使用嚴(yán)格按照SY/T6143-2004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，加上不定期維護(hù)和檢查，才能保證天然氣孔板流量計的測量精度.