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【摘要】文章根據(jù)我國(guó)天然氣流量計(jì)量?jī)x表的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)及存在問(wèn)題，通過(guò)理論分析及實(shí)踐的討論，提出了采用一體化天然氣流量計(jì)計(jì)量天然氣流量的方案，為我國(guó)天然氣流量計(jì)量提供了新的思路。
1、問(wèn)題的提出
我國(guó)天然氣的使用在超高速的發(fā)展，西氣東輸一、二、三期工程建設(shè)及境外天然氣輸氣管線的引進(jìn)力度，天然氣用量連年翻番，從2000年年用量約200億m3增至2010年約1000億m3，據(jù)稱，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到4000億m，占能源份額約10％，但與上一般為30％～40％相比仍然低得多。
天然氣用戶遍布全國(guó)，輸氣管網(wǎng)及其配套流量計(jì)數(shù)量十分龐大，終端用戶城市有工礦企業(yè)及商業(yè)、民用用戶，情況十分復(fù)雜，需求多種多樣。如此量大面廣的用戶，流量計(jì)的選型就顯得特別重要，不僅要考慮儀表計(jì)量準(zhǔn)確度等技術(shù)要求，還要考慮儀表的維護(hù)與校驗(yàn)的成本。據(jù)儀表機(jī)構(gòu)綜合分析，天然氣輸氣管線流量?jī)x表應(yīng)為三大主力儀表：孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)。理論分析和實(shí)踐證明，這三種儀表各項(xiàng)性能指標(biāo)各有優(yōu)劣，本文試圖通過(guò)孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)儀表性能指標(biāo)的比較，根據(jù)GB／T18603-2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》，提出天然氣流量計(jì)量?jī)x表若干選型原則，結(jié)合我國(guó)國(guó)情向用戶推薦用一體化天然氣流量計(jì)測(cè)量天然氣流量。
2、歷史的回顧
長(zhǎng)期以來(lái)，孔板流量計(jì)為天然氣輸氣管線上的主要流量計(jì)，20世紀(jì)70年代后渦輪流量計(jì)成為僅次于孔板流量計(jì)的主力儀表，只是在本世紀(jì)初氣體超聲流量計(jì)才在上推廣?？装?、渦輪流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范已經(jīng)成熟，而氣體超聲流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)尚在擬議中。由此可見(jiàn)，我國(guó)天然氣流量計(jì)量應(yīng)該選用孔板和渦輪作為主要儀表。
孔板流量計(jì)在天然氣流量測(cè)量中的應(yīng)用已有一百多年歷史，可以不夸張地說(shuō)，正是天然氣流量測(cè)量才使孔板流量計(jì)達(dá)到今天的技術(shù)成熟，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范豐富，奠定了作為*大類流量計(jì)的地位。20世紀(jì)70年代以前孔板流量計(jì)已發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)型流量計(jì)，其特點(diǎn)有三：(1)結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)化；(2)標(biāo)準(zhǔn)給出節(jié)流件的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)及計(jì)算公式；(3)現(xiàn)場(chǎng)影響量的試驗(yàn)廣泛深入，是上通用的。正是借助這些特點(diǎn)引出二大使用特性：(1)節(jié)流件無(wú)須實(shí)流校準(zhǔn)，可根據(jù)節(jié)流件結(jié)構(gòu)形狀、技術(shù)要求、流體特性求得流量與信號(hào)的關(guān)系及其測(cè)量不確定度；(2)流量計(jì)投用現(xiàn)場(chǎng)后，如果使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可利用影響量試驗(yàn)研究資料進(jìn)行修正(或補(bǔ)償)。孔板流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置*品種，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在ISO5167：2003(E)及AGAN03(HNSI／API2530)中詳細(xì)列舉，在全部流量計(jì)中它的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范是zui豐富、zui完善的。目前其它已有標(biāo)準(zhǔn)的流量計(jì)，如渦輪、電磁、渦街、質(zhì)量等，都沒(méi)有上述三個(gè)特點(diǎn)，因此，亦不具有二大使用特性。近年(20世紀(jì)9O年代后)，由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料、新工藝的突破性進(jìn)展，新型流量計(jì)(渦輪、渦街、電磁、超聲、質(zhì)量)有長(zhǎng)足發(fā)展，在市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計(jì)*不斷下降，此類流量計(jì)缺點(diǎn)成為人們?cè)u(píng)價(jià)重點(diǎn)，如測(cè)量準(zhǔn)確度不高、范圍度窄、壓損大、安裝條件苛刻、故障多等等，使標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計(jì)似有被邊緣化的危險(xiǎn)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，技術(shù)工作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的改進(jìn)與創(chuàng)新，并借助二次儀表(差壓變送器和流量計(jì)算機(jī))的突破性進(jìn)展，使全套標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計(jì)性能煥然一新，如準(zhǔn)確度可以滿足GB／Tl8603-2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》*(1．0)和GB17167_2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》天然氣(2．0)的規(guī)定，量程比達(dá)10：1或更寬；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為一體化，消除安裝瓶頸，故障大幅下降；壓損大應(yīng)考慮除孔板外的噴嘴或文丘里管等節(jié)流件等。已有業(yè)內(nèi)人士建議應(yīng)重新審視此類流量計(jì)，給予其正確的評(píng)價(jià)；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計(jì)應(yīng)重新恢復(fù)其*的地位。
在美國(guó)和歐洲渦輪流量計(jì)是僅次于孔板流量計(jì)占第二位的天然氣流量計(jì)，渦輪流量計(jì)的主要特點(diǎn)為：高準(zhǔn)確度，一般為±1％R～±1．5％R，特殊的為4-0．5％R～4-1．0％R，高重復(fù)性，短期重復(fù)性可達(dá)4-0．05％～±0．2％，正是由于良好的重復(fù)性，若經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)，可得高準(zhǔn)確度，是貿(mào)易交接優(yōu)先選用的流量計(jì)；輸出為脈沖信號(hào)，適于總量計(jì)量及與計(jì)算機(jī)連接，無(wú)零點(diǎn)漂移，抗*力強(qiáng)，信號(hào)分辨力強(qiáng)(頻率達(dá)3kHz～4kHz)，量程比寬，中大口徑40：1～10：1，小口徑6：1～5：1。結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大。應(yīng)該指出，上述優(yōu)良特性只在實(shí)驗(yàn)室參比工作條件下方能維持。在現(xiàn)場(chǎng)渦輪流量計(jì)是一種易受現(xiàn)場(chǎng)影響量干擾的流量計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)影響量主要為二項(xiàng)：流動(dòng)特性和流體物性。流體流動(dòng)特性影響主要是流體受管道配件(阻流件)干擾而引起的速度分布畸變和渦流等，其它為非定常流干擾(脈動(dòng)流等)。流體物性又分為流體物性(物理性質(zhì))和流體性狀，流體物性主要影響因素為密度和粘度，對(duì)于天然氣應(yīng)特別注意密度的變化，密度影響在低流量區(qū)域較大，若密度低(壓力下降)下限流量升高，亦即范圍度變窄，線性度變差。在常壓空氣中校準(zhǔn)的渦輪流量計(jì)應(yīng)通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行換算。流體性狀指腐蝕、積垢、臟污、凍結(jié)、相變、混相等，它會(huì)改變管道壁粗糙度、流通面積、渦輪葉片及通道狀況，流量計(jì)特性隨之改變，不再維持實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的特性，給流量計(jì)的正常工作帶來(lái)惡劣影響，一般應(yīng)增設(shè)過(guò)濾器，周期檢查及校準(zhǔn)等才能正常工作。應(yīng)該指出我國(guó)天然氣流量計(jì)量?jī)x表數(shù)量十分龐大，需要定期檢定的儀表以數(shù)萬(wàn)臺(tái)計(jì)，而我國(guó)天然氣實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置每年可標(biāo)定的儀表僅在1000臺(tái)左右，遠(yuǎn)不能滿足需求(儀表用戶常為送檢儀表奔波而苦惱!)。因此，保證每臺(tái)儀表的正常校準(zhǔn)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)又迫切的問(wèn)題。
渦輪流量計(jì)作為通用型流量計(jì)其發(fā)展歷史約半個(gè)世紀(jì)，在天然氣計(jì)量領(lǐng)域?yàn)榉ǘㄓ?jì)量器具，具有完備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。以下介紹上主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：(1)ISO9951《封閉管道氣體流量測(cè)量——渦輪流量計(jì)》1993年*版。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定儀表結(jié)構(gòu)、壓力測(cè)試、流量特性、讀數(shù)裝置、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、壓力損失、管道布置等，它使各國(guó)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)協(xié)調(diào)一致，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定干擾試驗(yàn)以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求，儀表可在很短直管段(2D)下安裝，為此各國(guó)產(chǎn)品皆設(shè)計(jì)整流器與儀表殼體組成一體，是有特色的部件。(2)PrEN12261《氣體渦輪流量計(jì)》為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，由CEN／TC237技術(shù)協(xié)會(huì)制定，CEN成員國(guó)的法定標(biāo)準(zhǔn)。PrEN12261和ISO9951差別為對(duì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，并且對(duì)測(cè)試的參數(shù)提出明確的測(cè)試工具和方法，對(duì)儀表安全特性亦有詳細(xì)規(guī)定，如強(qiáng)度測(cè)試、密封性測(cè)試、扭矩測(cè)試、抗沖擊測(cè)試、抗紫外線和腐蝕測(cè)試等。PrEN12261是歐洲*的制造工業(yè)及天然氣公司多年對(duì)渦輪流量計(jì)制造和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。(3)AGAN07報(bào)告《渦輪流量計(jì)測(cè)量燃?xì)狻?980年頒布。AGAN07是一份技術(shù)報(bào)告，其內(nèi)容非常豐富，是美國(guó)20世紀(jì)60—7O年代氣體渦輪流量計(jì)研發(fā)與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
上述三份文件基本代表氣體渦輪流量計(jì)現(xiàn)代制造與使用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
由上述孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的簡(jiǎn)述中我們可發(fā)現(xiàn)它們有以下一些差別。
(1)孔板流量計(jì)具有流量?jī)x表標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的三項(xiàng)特征，因此，其結(jié)構(gòu)及應(yīng)用是*通用的。渦輪流量計(jì)不是標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件，產(chǎn)品性能隨企業(yè)而異，由此孔板流量計(jì)的二大使用特性渦輪流量計(jì)并不具備。渦輪流量計(jì)必須逐臺(tái)校準(zhǔn)以得到儀表系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)影響量的修正，孔板流量計(jì)可采用*流量界積累的豐富資料，而渦輪流量計(jì)只能依靠個(gè)別企業(yè)指導(dǎo)文件進(jìn)行，兩者的差別不可同日而語(yǔ)。
(2)孔板流量計(jì)在測(cè)量準(zhǔn)確度、范圍度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝等方面已有突破性進(jìn)展，可以滿足GB／T18603-2001和GB17167-2006等國(guó)家法定規(guī)定的要求。因渦輪流量計(jì)的儀表特性是在有條件場(chǎng)所才能保證，一般而言，在輸配氣(門)站配備設(shè)備和專業(yè)人員來(lái)滿足其要求，而普通用戶不具備這些條件，定期的維護(hù)和檢定亦存在實(shí)際困難。
3、天然氣流量計(jì)
3．1天然氣流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)
在節(jié)流式流量計(jì)使用中一般總是優(yōu)先選用孔板流量計(jì)，其實(shí)，在一個(gè)時(shí)期內(nèi)，孔板流量計(jì)成為了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的代表，其它標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件如ISA1932噴嘴(以下簡(jiǎn)稱噴嘴)、文丘里管等未引起足夠的重視(早期噴嘴類的產(chǎn)品受到了加工工藝的限制)，使其*的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分發(fā)揮。因此，我們更應(yīng)重視噴嘴流量計(jì)的應(yīng)用。它具有孔板流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但又因噴嘴為廓形節(jié)流件，無(wú)尖銳棱角，結(jié)構(gòu)形狀耐高流速?zèng)_擊與磨損，故其流量特性能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，無(wú)孔板銳緣鈍化之虞，因而檢定周期長(zhǎng)(四年)，且壓損小。所以，噴嘴應(yīng)是比孔板更*的節(jié)流件。
3．2一體化天然氣流量計(jì)
天然氣流量計(jì)應(yīng)用較少的一個(gè)重要原因是其廓形加工工藝復(fù)雜，一只噴嘴要準(zhǔn)備數(shù)塊模板，作為保證加工準(zhǔn)確度及檢驗(yàn)用。為使節(jié)流件商品化，多年前，一些專家就提出了定值節(jié)流件的創(chuàng)意，所謂定值節(jié)流件就是在一個(gè)管道公稱口徑下僅制造三種節(jié)流孔徑的節(jié)流件(β=0．4、0．5、0．6)，這樣定值噴嘴如同標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件一樣，可以形成批量生產(chǎn)。不僅易于保證加工精度，降低成本，也便于計(jì)量監(jiān)督。
還有一個(gè)值得重視的問(wèn)題，就是目前使用的大量的孔板及噴嘴，其直管段長(zhǎng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且在10D范圍內(nèi)，同心度、不圓度、粗糙度也不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，引起較大的附加誤差，因此帶上經(jīng)過(guò)精細(xì)加工的直管段是很有必要的。
所以，以上提出的計(jì)量天然氣的一體化天然氣流量計(jì)的完整內(nèi)容應(yīng)是帶10D前直管段的一體化天然氣流量計(jì)。
3．3誤差分析
用戶很關(guān)心用一體化天然氣流量計(jì)計(jì)量天然氣，計(jì)量的不確定度是多少?確定流量測(cè)量不確定度可在天然氣實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)標(biāo)，由于我國(guó)這類裝置很少，難以滿足大量檢定的要求，所以不在重點(diǎn)考慮之列?，F(xiàn)對(duì)以下兩種方案做一介紹。
方案1：按GB/T2624-2006．3計(jì)算噴嘴的流出系數(shù)及可膨脹系數(shù)，按GB/T21446-2008(或SY/T6143-2004)計(jì)算天然氣的密度，其不確定度為

就是說(shuō)：用一臺(tái)差壓變送器，量程范圍1：25，則流量量程范圍為1：5時(shí)，流量系統(tǒng)不確定度等級(jí)達(dá)到1．5級(jí)。若用二臺(tái)差壓變送器，則可使流量量程范圍達(dá)1：25。
方案2：在水標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)定出噴嘴的流出系數(shù)，而可膨脹系數(shù)按GB／T2624-2006計(jì)算?，F(xiàn)逐項(xiàng)分析誤差的大小
(1)若水標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度等級(jí)為0．1級(jí)，
(2)其余各項(xiàng)不確定度與方案1相同在差壓測(cè)量范圍為1：25條件下，天然氣流量測(cè)量相對(duì)誤差為

就是說(shuō)，用水系統(tǒng)標(biāo)定出流出系數(shù)，則流量測(cè)量范圍為1：5時(shí)，流量測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)，若用二臺(tái)差壓變送器，流量測(cè)量范圍為1：25。