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ABG儀表集團
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閱讀：1309發(fā)布時間：2013-7-9
〔摘要〕文章介紹了塔里木油田標(biāo)準(zhǔn)孔板、渦輪、旋進旋渦、渦街等各類在用的天然氣流量計.闡述了它們的計量原理、安裝要求、使用條件.分析了影響計量準(zhǔn)確度的因素。
我國的能源結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了燃煤、液化石油氣后已進入了天然氣的時代。西氣東輸就是指將新班塔里木盆地等西部的天然氣輸送到上海以及整個長江三角洲地區(qū)，將西部的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟優(yōu)勢，并解決東部發(fā)達地區(qū)能源不足的問題。作為西氣東輸工程主要氣源地的新疆塔里木油田，天然氣資源豐富，天然氣流量計量工作很重要。
1、天然氣流量計
塔里木油田實行新體制、新工藝，高水平、益開發(fā)，自動化程度非常高。用于天然氣計帶的流量計種類很多，幾乎國內(nèi)、國外的都進入油田市場。出現(xiàn)這一問題的另一個主要原因是油田沒有自己的設(shè)計隊伍，也沒有一個統(tǒng)一的計量器具選型規(guī)范。所以，表現(xiàn)出流量計量基于各種不同的測量原理，采用各種各樣的側(cè)量方法，利用不同的輸出信號的變化來反映流體流量的變化，完成不同場合流量計量的目的。
1.1、孔板流量計
在用于天然氣流量計量的儀器儀表中，研究zui早zui細、實驗數(shù)據(jù)zui多、使用經(jīng)驗zui豐富、標(biāo)準(zhǔn)化程度zui高的是同心直角入口銳孔板流量計，常稱標(biāo)準(zhǔn)孔板。SY/T6143-2003《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》為孔板流量計的設(shè)計、制造、安裝、檢驗和使用提供了系統(tǒng)的技術(shù)依據(jù)。
（1）孔板流zui計的測量原理
孔板流量計是甲種差壓式流量計。當(dāng)流體流經(jīng)管道中的孔板時，流束將在孔板處形成局部收縮.流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產(chǎn)生微小的靜壓力差（差壓）。流體的流速越快，孔板前后產(chǎn)生的差壓也越大，從而可以通過測量差壓來間接測量天然氣流量的大小。
（2）孔板流量計的組成
孔板流量計由產(chǎn)生差壓的一次裝置—孔板節(jié)流裝置、二次檢測儀表—差壓計、壓力計、溫度計和相關(guān)參數(shù)儀器儀表加信號引線等組成。
（3）孔板節(jié)流裝置
孔板節(jié)流裝置包括孔板、孔板夾持器和上下游測量管。
差壓是測量流量的必要參數(shù)，而孔板是產(chǎn)生差壓的部件。標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊薄的、平行的、具有同心圓形開孔的、直角入口邊緣尖銳的圓板?？装褰Y(jié)構(gòu)及技術(shù)要求詳細指標(biāo)列入SY/T6143-2003標(biāo)準(zhǔn)中，經(jīng)過嚴(yán)格的檢驗才能作為成品出廠。
孔板夾持器是夾持安裝孔板并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的位置準(zhǔn)確鉆出取壓孔并能有差壓信號引管的組件。它根據(jù)取壓方式zui適當(dāng)穩(wěn)固地安裝在計量管道上，用以支持孔板，并能滿足孔板在需要清洗檢查或更換孔板時，能手工或自動取出孔板，它有夾式、閥式等不同型式。
上下游測量管是指在上游臨近孔板1OD（管道公稱直徑）和下游4D直管段的管段鑊制加工部分。
孔板流量計的流出因數(shù)C是在實驗室里用很長的直管段獲得充分發(fā)展的速度分布的條件下作出的。也就是說，天然氣流入孔板前必須是軸對稱、無旋渦、充分發(fā)展的速度剖面.才能達到流出因數(shù)C值的給定準(zhǔn)確度。只要孔板上游測量管內(nèi)壁相對粗糙度K/D（K為上游測量管內(nèi)壁等效粗糙度，它取決于管道內(nèi)壁峰谷高度、分布、尖銳程度和其它一些管壁上的粗糙度因素），直管段長度符合SY/T 6143-2003標(biāo)準(zhǔn)要求，就認(rèn)為達到了所要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管道條件。
在孔板節(jié)流件安裝時，孔板應(yīng)與測量管軸線垂直?？装迳嫌味嗣媾c垂直于側(cè)量管軸線的平面之間的斜度應(yīng)小于0.5%并小于1°。將孔板節(jié)流裝里安裝到管道中時.應(yīng)注意直管段配接部分。配接部分的直管段內(nèi)徑，應(yīng)與測量管內(nèi)徑一致。與配對的連接法蘭焊接時，焊口對正對齊，焊好后不能在管內(nèi)壁上形成焊瘤和留有焊渣，內(nèi)壁若有錯位形成臺階，其臺階高度與內(nèi)徑D之比應(yīng)小于或等于±0.3%。為了避免直管段受過分的剪切應(yīng)力和產(chǎn)生彎曲變形，在適當(dāng)?shù)奈恢蒙霞友b支座。
（4）孔板流量計的流量計算
只有按照SY/T 6143-2003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計算方法計算流量值，其流量測量的不確定度才不至于超過該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的估算水平。
孔板流量計的流量測量基本方程式是在以下幾個理論假設(shè)的前提下通過流體力學(xué)中的柏努力方程和連續(xù)性方程導(dǎo)出:
孔板流量計的流量測量基本方程式為:
式中:qv為工作條件下的體積流量，m3/h; C為流出因數(shù)，無量綱;E為漸進速度因數(shù)，無量綱;ε為流束膨脹因數(shù)，無蚤綱;d孔板工作狀態(tài)下的開孔直徑，m; ρ孔板上游側(cè)工作狀態(tài)下的流體密度，kg/m3;△p為孔板上下游側(cè)壓差，Pa.
在實際的天然氣計量中，確定好上面公式中的各個系數(shù)，就可實現(xiàn)理論流量向?qū)嶋H流量的轉(zhuǎn)化。
（5）影響孔板流zui計測量準(zhǔn)確度的因素
影響孔板流量計測量準(zhǔn)確度的因素在客觀上存在兩個方面:實際流動狀態(tài)難以達到標(biāo)準(zhǔn)要求，孔板節(jié)流裝置偏離標(biāo)準(zhǔn)。
通過我們計量檢定部門的跟蹤調(diào)查，在實際的天然氣計量中，主要存在以下問題:①沒有嚴(yán)格按照SY/T6143-2003標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、制造和安裝，主要表現(xiàn)在:A.計量管徑過大，長期處于低雷諾數(shù)下運行;B.上下游直管段未按標(biāo)準(zhǔn)要求加工配套，管內(nèi)徑未實側(cè)，管內(nèi)壁粗糙度高，而又不加修正;C.取壓裝置中的孔板密封墊片突人管內(nèi)，環(huán)室或夾緊孔板的法蘭內(nèi)徑超出允許限度。②沒有嚴(yán)格執(zhí)行管理規(guī)程中所要求的維修和定期檢驗:A.節(jié)流裝置沒有定期地進行檢查清洗，孔板夾持器嚴(yán)重污染，孔板上游端面污物堆積;B.孔板反裝;C.計量旁路管道閥門內(nèi)漏;D.二次儀表使用和維護不當(dāng)。
綜上所述，孔板流量計的正確使用要滿足標(biāo)準(zhǔn)中對一次裝置幾何尺寸的限制條件和符合介質(zhì)和氣流狀態(tài)條件。
（6）孔板流量計的特點
①優(yōu)點:適用于較大口徑管道的計量（目前口徑大于DN600mm的流量計一般只能選用孔板）;無可動部件，耐用;應(yīng)用歷史悠久，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定zui全;制造相對容易，價格便宜。②缺點:測量范圍（量程比）
窄，為3:1，且合理使用的流量是滿量程的30%-80%;壓力損失大;計量準(zhǔn)確度受安裝條件影響很大;前后直管段要求長，占地面積大;計量準(zhǔn)確度受人為因素影響很大;不能直接讀出計量結(jié)果，使用不便。
1.2、氣體渦輪流量計
（1）渦輪流量計的測量原理
當(dāng)氣體進人流量計時，首先經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流體并加速。在流體的作用下，由于渦輪葉片跟流體流向成一定的角度，此時氣流對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，在渦輪克服阻力矩后開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)各種力矩達到平衡后，渦輪的轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)定狀態(tài)。渦輪的轉(zhuǎn)動角速度與流量成線性關(guān)系。信號檢測單元利用電磁感應(yīng)原理，通過旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片頂端導(dǎo)磁體周期性地改變磁阻，使磁場也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而在線圈兩端感應(yīng)出脈沖信號。該信號經(jīng)前置放大器放大、整形后，和壓力傳感器、溫度傳感器的信號同時輸人流量積算儀進行處理，直接顯示出體積流量和累積流量。
（2）渦輪流zui計的流量計算
渦輪流量計流量計算公式為:qv=f/K
式中:qv為工作條件下體積流量，M3/h; f為渦輪轉(zhuǎn)動的頻率，Hz; K為流量計儀表系數(shù)，脈沖數(shù)，1/m3
（3）氣體渦輪流量計的特點
①優(yōu)點:高度，可達1.0%-1.5%;高重復(fù)性，短期可達0.05%-0.2%;輸出為脈沖頻率信號，適于總量計蚤及與計算機連接.無零點漂移.抗*力強;范圍度寬，中大口徑可達40:1-10:1;結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大。②缺點:渦輪流緒計的特性易受介質(zhì)物性和流體流動特性
的影響，愈是高度，其影響愈敏感，例如介質(zhì)臟污，結(jié)垢使葉片及通道發(fā)生變化，流量計特性也隨之改變。軸承磨損使特性偏移。流體流動特性有來流速度分布和流體脈動等的影響，要保持儀表校驗時的參比流動條件，其儀表系數(shù)才能保持不變，否則需進行相應(yīng)的修正或?qū)嵭性诰€校準(zhǔn)，以獲得現(xiàn)場實際的流示計特性。
1.3、渦街流量計
渦街流量計是塔里木油田近幾年來使用zui多的天然氣流量計。Endress + Hauser、承德熱河克羅尼等廠家的此類流量計大量使用于單并計量、集氣站計量、天然氣處理站計量以及某些外輸口的計量中。
（1）渦街流量計的側(cè)量原理
當(dāng)在流體中插入一個與流動方向垂直的柱狀阻擋體（可以是圓柱體或三角柱體）時，當(dāng)流速達到一定值時流體不再沿柱狀體表面附著流動，而是從柱狀體分離開來，使速度局部增加，壓力局部降低，部分流體返回旋轉(zhuǎn)，形成旋渦，在柱狀體的下游就會交替地產(chǎn)生兩列內(nèi)旋的旋渦列。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦的脫落頻率與流體的流速成正比。
（2）渦街流量計的流量計算
渦街流量計的流量計算公式為:
式中:qv為工作條件下體積流量，m3/h; d為管道內(nèi)徑，m;m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比，無量綱;b為旋渦發(fā)生體寬度，m; f旋渦脫落頻率，Hz.
式中:K為流量計儀表系數(shù)。通過確定不同流量計的K值，可以得到流量值。
（3）渦街流量計的特點
渦街流量計與其它型式流量計比較，具有如下優(yōu)點:儀表內(nèi)部無可動部件，構(gòu)造簡單，使用壽命長;線性測量范圍寬達30：1;在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦產(chǎn)生的頻率只與流體流速有關(guān)，幾乎不受被測流體參數(shù)如溫度、壓力、密度、成分及枯度等變化的影響;測量準(zhǔn)確度高;適用于低溫介質(zhì)和各種腐蝕性與放射性介質(zhì)等。
它的不足之處主要是流體流速分布情況和脈動流將影響測量準(zhǔn)確度，當(dāng)旋渦發(fā)生體被站污后也將給測量結(jié)果帶來誤差。
1.4、旋進旋渦流量計
塔里木油田使用的旋進旋渦流量計多是國產(chǎn)的，有浙江天信、浙江蒼南、寧波創(chuàng)盛等。
（1）旋進旋渦流量計測量原理
旋進旋渦流量計的工作部件是一個旋渦發(fā)生器，當(dāng)沿著軸向流動的流體進人流量傳感器入口時，螺旋形葉片強迫流體進行旋轉(zhuǎn)運動，于是在旋
渦發(fā)生體中心產(chǎn)生旋渦流。該旋渦流在文丘里管中旋進.當(dāng)?shù)竭_收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速，旋渦流進人擴散段后.因回流作用強迫進行旋渦式二次旋轉(zhuǎn)。此時旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線性。
（2）旋進旋渦流量計的特點
優(yōu)點:不受流體密度，組分、壓力、溫度的影響;一體化測試多參數(shù)，自動進行溫度壓力補償，流量顯示方便直接;無可動部件，可靠性好，穩(wěn)定性高，壽命長。
缺點:壓力損失較大，對于低壓力場合使用不很理想:受強烈的機械振動和磁場干擾影響很大。
2、結(jié)論及建議
塔里木油田作為西氣東輸氣源地在天然氣計量中使用了不同測量原理的氣體流量計，逐漸掌握和認(rèn)識了各類流量計的特點，為完善天然氣計量管理體系、提高計量精度打下了基礎(chǔ).為準(zhǔn)確核實夭然氣產(chǎn)量和商品天然氣貿(mào)易交接準(zhǔn)備了技術(shù)上的條件。建議油田的質(zhì)量監(jiān)督部門和計I檢定測試部門向具體使用此類流量計的生產(chǎn)單位宣貫天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程、規(guī)范，從各類流量計的安裝使用條件出發(fā).審核設(shè)計部門工藝圖紙上流量計儀表部分.提供和服務(wù)。
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