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孔板流量计在天然气能源计量中误差
发布时间:2020-7-8 08:19:46

摘要:本文阐述了孔板流量计的构成及其特点。详尽分析了孔板流量计在计量中存在的问题,阐明了产生这些问题的原因。提出了解决我公司天然气能源计量的方案和措施。
  流体流量的检测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理,进行物资交接、财务结算、经济核算、效益分析与评价及至决策的重要依据;也是企业监控生产过程,使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。从某种意义上讲:计量就是眼睛,计量就是金钱,计量就是效益。现代企业对流量计量的要求越来越高,主要反映在满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度。国际上用于天然气流量测量的仪器仪表,研究最早、最细,试验数据最多,使用经验最丰富,标准化程度最高的是同心直角锐孔板流量计,常称标准孔板流量计,简称孔板流量计。孔板流量计是一一种典型的节流差压式流量计。据调查统计,目前在我国天然气贸易交接计量中,孔板流量计占90%以上。孔板流量计所以得到如此的广泛的应用,主要是因为它具有以下两个非常突出的特点:①结构简单、安装方便、工作可靠、成本低,又具有一定准确度。能满足工程测量、贸易结算的需要;②有很长的使用历史,有丰富的、可靠的实验数据,设计加工已经标准化。只要按标准设计加工的孔板流量计,不需要进行实际标定,也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。
然而孔板流量计在实际计量运行中存在着诸多影响计量误差的因素。
1.差压式流量计的测量原理
孔板流量计测量原理图
  差压式流量计的测量以能量守恒定律和流体流动连续性方程为基础,即在充满流体的管道中固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件,则管内流束在通过该节流件时就会造成局部收缩(图1)。在收缩处,流速增加,静压力降低,于是在节流件前后将产生一定的压力差,而且随流体流速增加,静压力差就越大,而对于一-定形状和尺寸的节流件,一定的测压位置和前后直管段,在一定的流体参数情况下,节流件前后的差压△P与流量Qv之间有-定的函数关系,故可通过测量节流件前后的差压来测量流体流过节流装置时的流量大小。即:
Qv=K×(△PxP)1/2
1.1孔板流量计的组成
  孔板流量计由能将流体流量转换成差压信号的节流装置及测量温度、压力、差压变送器和进行积算的流量计组成(图2)。安装在流通管道中的节流装置也称“-次装置”,它包括孔板、取压装置和前后直管段。温度传感器、压力变送器、差压变送器和流量计称为“二次仪表”。

  “一次仪表”即节流装置将流体的差压信号实时地反映给差压变送器,差压变送器将此信号转换成标准直流电流4-20mA信号;而压力变送器将流体通过节流装置的压力信号也转换成标准直流电流4-20mA信号;同时,温度传感器将通过节流装置的流体的温度转换成电阻信号。流量积算仪将前三者信号经过乘、除、开方等流量运算,最后进行累积显示出来。
  安全栅的作用:是自动化仪表过程检测、控制中的-一个单元,它通过直流-直流转换电路为现场安装的变送器提供-个隔离化电源,同时又将变送器4--20mA直流信号转换成与之隔离的直流信号,实现变送器与电源之间以及变送器与受信仪表之间的双向隔离。从而使电气火花窜人不到现场,达到安全隔离的作用。
1.2标准节流装置组成
  标准节流装置也称“一次装置”(图3),它包括孔板(图4)、取压装置、前后直管段,导压管。


2差压式流量计的误差来源
  孔板流量计测量的准确度除了取决于孔板节流装置按标准加工制造和检验装配外,还取决于合理的设计、仪器仪表选型和安装、运行情况。如流量的波动性范围、频繁程度等。由于流量计实际运行工况与设计条件有许多变化,带来的误差也是很大的。对孔板流量计的流量测量进行误差分析和估算,成为工业计量和能源结算的一个重要问题。造成孔板流量计计量误差的原因可分为以下几个方面:①孔板本身的设计计算误差(原理上);②孔板的制造误差;③安装误差;④工艺状态变化造成的误差;⑤二次仪表的性能及系统运行引起的误差;⑥其它因素引起的误差。
2.1建立流公式数学模型带来的误差
  严格来讲,孔板的设计误差是指理论上孔板的设计误差,因为流量计算公式是根据伯努利方程和连续性方程推导出来的,在节流装置的加工计算过程中,工作压力、工作温度、管道内径、大气压力、绝对压力、绝对温度、流体密度、流体粘度、等熵指数、压缩系数、最大差压等都不是精确值,从公式来讲就存在一-定的误差。
2.2孔板的加工工艺误差
  孔板的加工误差包含孔板加工的公差,一般为0.2%。但实际上很多孔板制造厂家由于加工工艺原因,所加工孔板的表面光洁度、人口边缘,仅目测就明显达不到设计要求;对于加工尺寸,一般不进行精确测量,这样加工出来的孔板精度自然就达不到设计要求。如图4,影响孔板误差的设计参数为:①孔板入口直角锐利度;②管径尺寸与计算不符;③孔板厚度误差;④节流件附件产生台阶、偏心;⑤孔板上游端面平度;⑥环室尺寸产生台阶、偏心;⑦取压位置;⑧焊接、焊缝突出;⑨取压孔加工不规范或堵塞; 节流件不同轴度等;这些误差均来自于孔板制造厂家。
2.3孔板流量计的安装误差
2.3.1直管段造成的误差
  由于孔板安装要求严格,上下游需要足够长度的直管段。一般的工艺条件较难满足。我们通常所用的前10D后5D的直管段安装方式,在平面只有一个支管或-一个90°弯头的情况下才满足,在有空间弯头、渐扩管、渐缩管、温度计管、球阀的情况下,需根据要求保证上游、下游最小直管段才能减少安装误差。否则附加相对误差达5%~10%,甚至更高。通常上下游直管段最低要求由厂家提供。
2.3.2孔板在管道上安装时的误差
  孔板安装时,当孔板与管道偏心率为0.015D时,误差为-1%~+1%;法兰与环室或孔板之间的垫片内孔不得太小,否则严重影响上下环室的密封性,差压值完全失真,造成的误差可达-60%~十60%。对于安装时在靠近节流件前面管道的突人管道的环状焊缝,有如一个节流圆环,它对测量误差的影响与突人高度、形状、粗糙度等有关,没有实测标准是难以确定的。.
2.3.3取压口及导压管造成的误差
  取压口的焊接有毛刺或有堵塞现象会引起误差。特别在流速较高处,将引起更大的误差。取压口的几何形状决定了对压力测量的影响,其误差为动压的百分数。另外,对于流体为液体时,取压管应自节流装置截面的水平中心两端水平引出或自水平中心线两端向下小于45引出;当流体为气体时,导压管应从节流装置截面的上半部引出。否则由于导压管积水、堵塞,而导致附加误差的加大。再者,引压管安装不能过长(--般不超过50米),否则,差压信号不能及时迅速地传递给变送器,而造成延迟响应误差。
2.4工艺状态变化引起的参数误差
  由流体测量理论可知,流体与节流装置检测的差压信号的关系为:
Qv=0.01252ead2(Op/p1)1/2
  由公式可知,影响流量测量精度的参数为:流量系数a,流束膨胀系数e,节流件内径d,流体密度ρ1。
  影响这些参数变化的工艺状态主要包括:由于管道污垢引起的管径变化;孔板端面变化;流体工艺条件变化即压力、温度引起的流体密度的变化、膨胀系数的变化、流出系数的变化。
2.4.1管道变化对工艺参数的影响
  管道变化包括管径变化和孔板端面变化及底部的污垢堆积。一般的孔板流量参数是在标准情况下的设计参数,也是标准状态下的参数,为标准管。实际上,由于工业介质的影响,经过一段时间,管道内壁就会有一-层结垢,一般清洗孔板也仅仅是清洗孔板本身,生产条件不考虑工艺管道的清洗,管径误差不能不予以考虑。污垢厚度视情况而异,一般有3~8mm厚。此时计量误差可达2%~5%。并且误差随污垢的厚度增加而加大。
2.4.2工艺参数变化带来的误差
  工艺参数的主要变化为:①孔板弯曲(变形);②上游测量管沉积脏物;③上游端面沉积脏物;④孔板入口直角边缘变钝、破损;⑤雷诺数范围不符合标准规定;⑥管道粗糙度影响;⑦流量系数的变化。
2.4.2.1雷诺数对流量系数的影响
  雷诺数是表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲参数。流量系数的变化是影响测量准确度最重要最直接的原因。影响流量系数的因素很多。设计上给出的流量系数是指在标准设计条件下,开孔比和雷诺数为固定值时计算出的理论值。在流体状态、流量,管道、开孔直径等基本保持不变的情况下,流量系数一般不影响测量。但工艺上由于设计原因,流体运行有时低于设计的最小雷诺数,此时流量系数的误差变化很大,此时应从工艺上,对照设计条件分析,应采取更换孔板或缩小管径的措施。否则必然加大计量误差。
2.4.2.2管道对流量系数的影响
  管道变化除了,上面所说的直接影响流量外,对流量系数的影响主要表现为β值的变化。由于管道污垢堆积,造成管径比理论值缩小,β值增大,此时通过流量系数对流量的影响为正误差,反映为随β值增大,误差增大;孔板上游管壁粗糙度增加时,速度分布将变陡,流量系数亦将增加,误差增大。实验证明,在节流件上游侧附近-段管道清除污物可以显著提高流量系数的测量精度。尤其对于大口径管道,清洗管段可以显著缩小误差。
2.4.2.3孔板对流量系数的影响
  孔板由不锈钢材料1CrIl8Ni9Ti加工而成。开孔直径除了受温度影响外,一般不变。但长期使用后,孔板表面的粗糙度将增大,引起的误差约为2%~3%;因制造质量差,安装时产生应力或大差压造成孔板挠曲,测量误差随挠曲尺寸的增大而增大。
2.4.2.4流体温度、压力变化对流量的影响
根据公式:

式中:ρ1为工况密度;ρ0为标准状况密度;Z为压缩系数;P1为工况压力;P0为标准状况压力;T1为工况下的绝对温度;T0为标准状况下的绝对温度。
  我们知道,流体当温度或压力发生变化时,必然引起密度的变化,特别是流体为气体时,更是如此。从而导致流量的变化。由以上公式,也充分说明了若不对压力、温度进行时时补偿,就--定带来很大的计量误差。
2.5二次仪表的性能及环境影响造成的误差
  二次仪表包括压力变送器、差压变送器、温度传感器、流量积算仪。它们的性能好坏、精度的高低就直接影响整个系统的精度,加上系统长期不间断运行,受温度、湿度、粉尘、噪声、电网等环境的影响,其各部分仪表的稳定性、精度也即日趋下降,甚至损坏,也就必然导致计量误差的加大。
2.6其它因素引起的误差
  操作人员的检定、维护过程中由于不按技术参数操作或误操作而引起的误差,标准设备的误差,人为的停电、开关阀门等引起的误差。
3公司目前天然气计量的现状和存在的问题
  目前我公司用孔板流量计进行天然气的计量,就现状分析,存在着以下几个方面的问题:
①计量装置即节流装置安装没有完全按照要求进行;上下游直管段不符合设计要求、节流装置前后管道不在一条轴线上、前后法兰与节流装置连接时所加的密封垫圈存在凹凸现象、引压管安装过长或不规范、引压管或节流装置存在漏气。
②有的点位均未增设温度补偿。从本地区来说,最冷与最热之温差还是相当大的,接近30℃,也肯定对计量产生很大影响。一般来讲,温度每变:化10C,流量计量误差就有2%。
③二次计量仪表还属传统式组合仪表,分立元件多、单元组合多、系统整体性能滞后、计量精度低、稳定度低(损坏率很高)。
④-二次仪表维护难度大。由于采用环室取压,法兰连接,对节流件的定期清洗测试,再次安装时就难以保证要求;管道的清洗工作根本不能进行。二次仪表必须定期对其校验,以确保其整体计量精度,对其校验也是一-项非常烦琐的工作,必须具备相当丰富的实践经验与动手能力。另外,还要不定期地对节流装置前后、引压管、阀门等部位进行检漏,以确保压力信号的真实性。
⑤计量系统由于不具备查阅、通讯等智能功能。计量数据均由人工现场采集、传送,然后进行人工统计、数据处理、报表等--系列的工作。所以不能时时反应能耗情况,从而缺乏计量的真实性、实效性。
⑥能源计量管理工作落后。目前计量仪表种类繁多,选型不统一、安装不规范(指选型单位、施工单位、安装地点、安装方式方法等),特别是用户提供的工艺参数不准确即工艺设备能耗及其定量的最大流量、最小流量、常用流量、工作压力、工作温度、介质组分、管径等;计量系统资产划分不明,资金投入少,造成日常维护、鉴定、修理延迟,而致使部分计量仪表运行难以保障,导致计量误差加大。
⑦人们的能源计量意识还有待提高。对计量就是眼睛,计量就是金钱,计量就是效益,缺乏足够认识。
4解决差压式流量计误差的途径
①从设计上把好关。务必做到根据用户用能大小、工艺条件参数等进行设计、选型、确立安装地点。
②一次节流装置即孔板尽量采用孔板阀安装,以消除同心度、密封性等装配的影响。从而有利于满足装配要求,更给维护工作带来极大的方便。见附图
③由于节流装置对前后管道安装要求非常严格,因此上下游所需的直管段必须与阀体配套,并满足理论要求。确保节流装置与前后管道安装在一条轴线上,保证孔板与管道同轴、同心。
④差压、压力变送器的安装位置高于节流装置;尽量缩短引压管长度;在最低处增设排污阀。确保差压、压力信号的及时性、真实性。
⑤增加温度补偿装置,减少因温差变化使流体工艺参数变化所引起的误差。
⑥掌握用户工艺设备运行情况,及时调整系统运行参数或更换相应孔板,以满足工艺参数变化带来的计量误差。
⑦为信息化发展所需,采用集成度高,智能化,可靠性、稳定性高的二次仪表。减少由于人工现场采集、传送,统计,数据处理,报表等出现的诸多问题。降低维护人员的工作强度,提高工作效率。
⑧加强能源计量人员的工作责任心,做好系统的检修、维护、检定保养工作,延长其使用寿命,减小计量误差。
⑨实行规范化,标准化、高规格化的能源计量管理。不断引进、消化、吸收天然气计量新技术,加强技术培训,借鉴国外经验,尽快建立一支理论技术水平高,安装、维护能力强的能源计量队伍。
5结束语
  流量计量既是天然气供需双方贸易结算的依据,又是生产部门用气效率的技术指标。在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常性的重要的技术基础工作。天然气的准确计量不但能公平的进行贸易结算,而且能改进生产工艺,提高产品质量,降低产品生产成本,确保安全生产,提高经济效益和社会效益。孔板流量计由于它的方便和实用,在流量测量中有着广泛的应用。对于它在计量中产生的误差,我们还应根据各种情况,具体分析,减少计量误差,使之更好地为生产服务。

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