標準噴嘴天然氣流量計

      隨着我國西氣東輸一、二、三期的建設及境外 天然氣輸氣管線建設的推進,我國天然氣用量不斷增 長,輸氣管網日趨擴大、不同類型的配套流量計需求 增加;終端用戶有工礦企業、商業及民用用戶,情況 十分複雜,需求多種多樣。如此量大面廣的用戶,流 量計的選型就顯得特別重要,不僅要考慮儀表計量準 確度等技術要求,還要考慮儀表的維護與校驗的工作 量及成本。據國際儀表權威機構綜合分析,天然氣輸 氣管線流量儀表應爲3大主力儀表:孔板流量計,渦 輪流量計和氣體超聲流量計。理論分析和實踐證明, 這3種儀表各項性能指標各有優劣,由於氣體超聲波 流量計多用於輸氣門站的大流量計量,其用量相對較 少,不在此討論。本文僅對孔板流量計和渦輪流量計 儀表性能指標比較,根據GB/T18603-2001《天然氣 計量系統技術要求》,提出天然氣流量計量儀表若幹 選型原則,結合我國國情,向天然氣工業用戶、城市 燃氣網中的商業用戶,推薦採用具有檢定週期長(4 年)、維護量小、測量範圍寬的新型標準噴嘴流量計 測量天然氣流量,與此同時推進相關國家標準的制定 工作。

天然氣流量計是一種非常熱銷的氣體檢測儀表

        長期以來,孔板流量計爲天然氣輸氣管線上的主 要流量計,20世紀70年代後,渦輪流量計成爲僅次於 孔板流量計的主力儀表,只是在本世紀初,氣體超聲 流量計纔在國際上推廣。孔板、渦輪流量計標準、規 範已經成熟,而氣體超聲流量計的國際標準尚在擬議 中。由此可見,我國天然氣流量計量應該選用孔板和 渦輪作爲主要儀表。
孔板流量計在天然氣流量測量中的應用己有一百 多年曆史,可以不誇張地說,正是天然氣流量測量才 使孔板流量計達到今天的技術成熟,標準、規範豐 富,奠定了作爲第一大類流量計的地位。20世紀70年 代以前,孔板流量計己發展爲標準型流量計,其特點 有三:
(1)結構形式和技術要求標準化;(2)標準 給出節流件的流出係數和可膨脹性係數及計算公式;
(3)現場影響量的試驗廣泛深入,是國際上通用 的。正是藉助這些特點引出兩大使用特性:(1)節 流件無須實流校準,可根據節流件結構形狀及技術要 求以及流體特性求得流量與信號的關係及其測量不確 定度;(2)流量計投用現場後,如果使用條件偏離 標準規定,可利用影響量試驗研究資料進行修正(或 補償)。孔板流量計作爲標準節流裝置第一品種, 其標準規範在ISO5167:2003(E)及AGAN03(HNSI/ API2530)中詳細列舉,在全部流量計中,它的標準及 規範是最豐富、最完善的,目前其它已有國際標準的 流量計,如渦輪、電磁、渦街、質量等都沒有上述3個 特點,因此,亦不具有兩大使用特性。近年(20世紀 90年代後),由於電子技術、計算機技術、新材料、 新工藝的突破性進展,新型流量計(渦輪、渦街、電 磁、超聲、質量)有長足發展,在市場激烈競爭中, 標準節流式流量計市場份額有所下降,此類流量計的 缺點成爲人們評價重點,如:測量準確度不高、範圍 度窄、壓損大、安裝條件苛刻、故障多等等,使標準 節流式流量計似有被邊緣化危機。針對上述缺點,技 術工作者經過長期的改進與創新,並藉助二次儀表 (差壓變送器和流量計算機)的突破性進展,使全 套標準節流式流量計性能煥然一新,準確度可以滿 足《天然氣計量系統技術要求》GB/T18603-2001 A級 (1.0 )和《用能單位能源計量器具配備和管理通則》
GB17167-2006天然氣(2.0)的規定,範圍度達6: 1〜 15: 1或更寬;結構創新爲一體化,消除安裝瓶頸,故 障大幅下降;壓損大可考慮除孔板外的噴嘴或文丘裏 管等節流件,己有業內人士建議應重新審視此類流量 計,給予其正確的評價。
在美國和歐洲渦輪流量計是僅次於孔板流量計 佔第二位的天然氣流量計,渦輪流量計的主要特點 爲:高準確度,一般爲±1%R〜±1.5%R,特殊專用 的爲±0.5%R〜±1.0%R;高重複性,短期重複性可達 ±0.05%〜±0.2%,正是由於良好的重複性,若經常校 準或在線校準,可獲得高準確度。範圍度寬,中大口徑 10: 1〜40: 1,小口徑5: 1〜6: 1。結構緊湊輕巧,安裝維 護方便,流通能力大。應該指出,上述優良特性只在 實驗室參比工作條件下方能維持。在現場渦輪流量計 是一種易受現場影響量幹擾的流量計,現場影響量主 要爲兩項:流動特性和流體物性。流體流動特性影 響主要是流體受管道配件(阻流件)幹擾而引起的速 度分佈畸變和渦流等,其它爲非定常流乾擾(脈動流 等)。流體物性又分爲流體物性(物理性質)和流體 性狀,流體物性主要影響因素爲密度和粘度,對於天 然氣應特別注意密度的變化,密度影響在低流量區域 較大,若密度低(壓力下降),下限流量升高,亦即 範圍度變窄,線性度變差。在常壓空氣中校準的渦輪 流量計應通過相關公式進行換算。流體性狀指腐蝕、 積垢、髒污、凍結、相變、混相等,它會改變管道壁粗 糙度,流通面積,渦輪葉片及通道狀況,流量計特性隨 之改變,不再維持實驗室校準的特性,給流量計的正 常工作帶來惡劣影響,一般應增設過濾器,週期檢查 及校準等才能正常工作。應該指出我國天然氣流量計 量儀表數量十分龐大,需要定期檢定的儀表以數十萬 臺計,而我國天然氣實流標準裝置每年僅可標定千餘 臺的儀表,遠不能滿足實際需求。因此,保證每臺儀表 的正常校準是一個現實又迫切的問題。
由上述孔板流量計和渦輪流量計的簡述中我們可 發現它們有以下一些差別。
(1) 孔板流量計具有流量儀表標準節流件的3項 特徵,因此,其結構及應用是全世界通用的。渦輪流 量計不是標準檢測件,產品性能隨企業而異,由此孔 板流量計的兩大使用特性渦輪流量計並不具備。渦輪 流量計必須逐臺校準以得到儀表係數,現場影響量的 修正,孔板流量計可採用全世界流量界積累的豐富資 料,而渦輪流量計只能依靠個別企業指導文件進行, 兩者的差別不可同日而語。
(2) 孔板流量計在測量準確度、範圍度、結 構設計、安裝等方面己有突破性進展,可以滿足GB/ T18603-2001和GB17167-2006等國家法定規定的要 求。因渦輪流量計的儀表特性是在有條件場所才能保 證,一般而言,在輸配氣(門)站配備專用設備和專 業人員來滿足其要求,而普通用戶不具備這些條件, 定期的維護和檢定亦存在實際困難。

3 噴嘴流量計
3.1噴嘴流量計的優勢
在節流式流量計使用中一般總是優先選用孔板 流量計,其實,在一個時期內,孔板流量計成爲了標 準節流裝置的代表,其它標準節流件如:ISA1932噴 嘴(以下簡稱噴嘴)、文丘裏管等未引起足夠的重視 (早期噴嘴類的產品受到了加工工藝的限制),使其 特有的優勢沒有得到充分發揮。因此,我們更應重視 噴嘴流量計的應用。它具有孔板流量計的優點,但又 因噴嘴爲廓形節流件,無尖銳棱角,結構形狀耐高流

速衝擊與磨損,故其流量特性能保持長期穩定,無孔 板銳緣鈍化之虞,因而檢定週期長(4年),且壓損 小。所以,噴嘴應是比孔板更優越的節流件。
近年來,標準噴嘴流量計在其它領域(蒸汽和通 用氣體計量)得到廣泛的應用,其工藝與結構更爲成 熟,同時也積累豐富的使用經驗。因此,國家標準化 委員會已於2012年批準制定《用標準噴嘴流量計測量 天然氣流量》國家標準,計劃號爲20121951-T-515。 該標準將參考《用標準孔板流量計測量天然氣流量》 GB/T21446-2008等現行的國家標準,針對標準噴嘴的 結構特點,對其製造、檢驗、安裝及使用等做出規定。 3.2定值噴嘴流量計
噴嘴流量計應用較少的一個重要原因是其廓形加 工工藝複雜,一隻噴嘴應準備數塊模板,作爲保證加 工準確度及檢驗用。
爲使節流件商品化,多年前,一些專家就提出了 定值節流件的創意,所謂定值節流件就是在一個管道 公稱口徑下僅製造3種節流孔徑的節流件(6 =0.4、 0.5、0.6),這樣定值噴嘴如同標準機械零件一樣, 可以形成批量生產,不僅易於保證加工精度,降低成 本,也便於計量管理和計量監督。
還有一個值得重視的問題,就是目前使用的大量 的孔板及噴嘴,其直管段長度不滿足標準要求,而且 在10D範圍內,同心度、不圓度、粗糙度也不滿足標 準要求,引起較大的附加誤差,因此,帶上經過精細 加工的直管段是很有必要的。
3.3不確定度分析
採用噴嘴流量計計量天然氣,其計量的不確定度 是多少?這是大家關心的問題。確定流量測量不確定 度可在天然氣實流標準裝置實標,由於我國這類裝置 很少,難以滿足大量檢定的需求,所以,不在重點考 慮之列。現對以下兩種方案做一介紹。
方案1:
按GB/T2624-2006.3計算噴嘴的流出係數及可膨 脹係數,按GB/T21446-2008 (或SY/T6143-2004)計 算天然氣的密度,其不確定度爲

現分析各項誤差
(1) 牛:若節流孔徑比6<0.6則該項的不確定 應爲0.8%
(2) 普:按GB/T2624-2006中噴嘴的計算公式 其不確定度爲
AI3
只需歹=£0.05,這是很容易做到的,例如壓力 (絕壓)爲0.2MPa,只需保證在最大流量下,差壓值
小於10 000Pa即可。
(3) 管徑及開孔徑所帶來的不確定度,可以通 過精確測量,使其降至可忽略程度。
(4) 與晉:根據GB/T21446-2008,提供的換算 公式,將變送器的滿度誤差換算爲示值誤差
8AP _ 2 AP =砂而
式中:
Z:變送器精度等級
4巳:變送器量程
4P/:差壓示值
例如:變送器精度等級爲0.075 (即誤差爲
0.075%),差壓測量範圍爲1:36,則:

(5):根據GB/T21446-2008

祟:天然氣相對密度測量不確定度爲0.3%
多:壓縮係數不確定度,按GB/G17747.2-1999 計算,其值爲0.1%
:設t由-20°C到80°C,溫度變送器量程爲 -20°C〜100°C,精度等級0.5

根據 GB/T21446-2008

 
  (0.32 + 0.12 + 0.1582 + 0.152)(%) =0.384(%)

在差壓測量範圍爲1: 36條件下,天然氣流量測 量不確定度爲
 
 
就是說:用一臺差壓變送器,量程範圍1: 36, 則流量量程範圍爲1:6時,流量系統不確定度等級達 到1.5級。若用兩臺差壓變送器,則可使流量量程範 圍達1:36。
方案2:
在水標準裝置上標定出噴嘴的流出係數,而可膨 脹係數按GB/T2624-2006計算。
現逐項分析誤差的大小
(1) 號:若水系統不確定度等級爲0.1級,則 該項的不確定應爲0.3%。
(2) 其餘各項不確定度與方案1相同
在差壓測量範圍爲1: 36條件下,天然氣流量測 量不確定度爲
就是說,用水系統標定出流出係數,則流量測量 範圍爲1:6時,流量不確定度等級爲1級,若用兩臺 差壓變送器,流量測量範圍爲1:36。
4 結論
從以上分析可得出結論,在嚴格按照標準加工、 安裝、使用的基礎上,引入定值節流件和必要的技術 (寬測量範圍運算,變送器數字通訊等)手段,噴嘴 流量計完全可以滿足天然氣流量計量包括準確度在內 各項技術要求,由於這種儀表的結構牢固、檢定週期 長,在減少維護量的同時,大大減少運行成本;具有 較好的技術經濟指標,有理由認爲它可以作爲計量天 然氣流量的重點選型儀表之一。這不僅已是專業人員 的共識,也將成爲廣大用戶的共識。

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