摘要：氣體(ti)超聲流童(tong)計 與 孔闆(pan)流量計 在(zai)天然氣工(gong)業中應用(yong)的兩個主(zhu)要方面流(liu)體流動♈特(te)性對儀表(biao)🍓性能的影(ying)響和流童(tong)計的幹校(xiao)問題進行(hang)比較,分🧑🏾‍🤝‍🧑🏼析(xi)它們存在(zai)的問題及(ji)發展前景(jing)。還對其它(ta)儀表性能(neng)進行了比(bi)較。
　　90年代以(yi)來,氣體超(chao)聲流量計(ji)在天然氣(qi)工業中的(de)成功應用(yong)有突破性(xing)的進展,一(yi)些天然氣(qi)流量計量(liang)的疑難問(wen)題可望獲(huo)得解決。據(ju)稱由于正(zheng)确率高和(he)維修費用(yong)低,多聲道(dao)氣體超聲(sheng)流量計已(yi)被氣體工(gong)業界接受(shou)。多聲道氣(qi)體📐超聲流(liu)量計是氣(qi)體渦輪流(liu)量計後被(bei)氣體工業(ye)界接受的(de)最重要的(de)😄流量計量(liang)器🔴具。目前(qian)美國氣體(ti)協會(AGA)已經(jing)完💯成AGAeReortNo.9“用超(chao)聲流量計(ji)測量氣體(ti)流😄量”草案(an)閉。制定有(you)關國家标(biao)準與國際(ji)标♊準的準(zhun)備工作正(zheng)在進行。至(zhi)今,已有12個(ge)🎯國家的政(zheng)府機構批(pi)準氣體超(chao)聲流量計(ji)爲法定計(ji)量器具國(guo)外天然氣(qi)工業在貿(mao)易輸送,氣(qi)體分配、調(diao)合、控制和(he)檢✔️漏等方(fang)面都廣泛(fan)采用它。對(dui)天然氣工(gong)業中傳統(tong)的計量儀(yi)表孔闆流(liu)量計與新(xin)型的氣體(ti)超聲流量(liang)計在儀表(biao)性能的兩(liang)個主要方(fang)面:流⛹🏻‍♀️體流(liu)動特性對(dui)儀表性能(neng)的影響和(he)流🍓量計的(de)幹校問題(ti)進行比較(jiao),分✨析它們(men)存在的問(wen)題及發展(zhan)前景。
流體(ti)流動特性(xing)對儀表性(xing)能的影響(xiang)
　　孔闆流量(liang)計和氣體(ti)超聲流量(liang)計都是對(dui)流體流動(dong)特性🚩變🈲化(hua)敏感的儀(yi)表,如何消(xiao)除不正常(chang)流動特性(xing)對儀表性(xing)能的影響(xiang)一直是這(zhe)二類儀表(biao)的主題之(zhi)一。現在可(ke)以看📱到兩(liang)者解決此(ci)問題的方(fang)法有很大(da)差别,在技(ji)術和經濟(ji)兩方面亦(yi)有不同有(you)效果,分析(xi)它們的特(te)點,對今後(hou)流量計的(de)發展是有(you)現實意義(yi)的。
l孔闆流(liu)量計
　　本世(shi)紀20年代起(qi)人們就對(dui)流體流動(dong)特性對儀(yi)表性能的(de)影響進行(hang)過大量的(de)試驗研究(jiu),爲了準備(bei)孔闆流量(liang)🌂計AGA(美🔆國氣(qi)體協會)報(bao)告,從1924年到(dao)1935年美國進(jin)行過10年試(shi)驗研究,研(yan)究項日多(duo)達14項,其中(zhong)大部分是(shi)關于流體(ti)流動💃特性(xing)的影響試(shi)驗。幾🐇乎同(tong)時歐☎️洲亦(yi)進行同樣(yang)内容的孔(kong)闆流量計(ji)試驗研究(jiu),這些都爲(wei)制定👄節流(liu)式差壓流(liu)量計國際(ji)标準奠定(ding)了基礎。現(xian)在ISO5167中🐆關于(yu)節流裝置(zhi)上下遊必(bi)要的最短(duan)直管段長(zhang)度的規定(ding)就是這些(xie)試驗研究(jiu)的總結,在(zai)各類流量(liang)計中♋它的(de)數據是最(zui)具權威📞性(xing)的。但是亦(yi)應看到,這(zhe)🔴些規定不(bu)但在内容(rong)上存在很(hen)大的争議(yi),而且在實(shi)際上🌈也遠(yuan)不能滿足(zu)現場的需(xu)要。ISO5167第一版(ban)(1980年)投票表(biao)決通🔴過時(shi),孔闆流量(liang)計資料主(zhu)❤️要提供🏃🏻‍♂️國(guo)美國卻投(tou)了反對票(piao),其原因之(zhi)一就是不(bu)同意标準(zhun)中關于直(zhi)管段長度(du)的規定。由(you)此引💋發80年(nian)代歐洲和(he)美國對孔(kong)闆流👨‍❤️‍👨量計(ji)進行10餘年(nian)的大規模(mo)研究試驗(yan),至今它已(yi)取得巨大(da)的成果,準(zhun)備對ISO5167一1(1991年(nian))[,〕進行修訂(ding),修訂的主(zhu)要内容之(zhi)一就是關(guan)于直管段(duan)長度的規(gui)定。
孔闆流(liu)量計爲解(jie)決此問題(ti)進行研究(jiu)試驗有以(yi)下特💞點:
(l)确(que)定幾種典(dian)型的阻流(liu)件類型(ISO5167中(zhong)爲7種),進行(hang)各種口徑(jing),b值,雷諾數(shu)♊範圍的試(shi)驗,确定在(zai)參比工作(zuo)條件下🔴(充(chong)分發展管(guan)流)所需的(de)最短直管(guan)段長度。
(2)爲(wei)縮短必要(yao)的直管段(duan)長度,在上(shang)遊側安裝(zhuang)流動調整(zheng)器(整流器(qi)),開發出幾(ji)種類型的(de)流動調整(zheng)器(ISO5167中爲5種(zhong))。
(3)流動特性(xing)中關于非(fei)定常流(如(ru)脈動流)提(ti)出技術報(bao)🚶‍♀️告👅(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動(dong)流的抑制(zhi)及誤差估(gu)計提供一(yi)些數據供(gong)使用參考(kao)⚽。
盡管已經(jing)取得上述(shu)成果,但是(shi)要應付現(xian)場的需要(yao)仍感很不(bu)滿足:
(l)現場(chang)的阻流件(jian)類型遠多(duo)于标準中(zhong)提供的,并(bing)且阻流🐕件(jian)📐之間的💯組(zu)合形式層(ceng)出不窮,因(yin)此現場總(zong)感覺🥵有些(xie)😄問題有待(dai)解決,例如(ru)天然氣輸(shu)配氣計量(liang)站出現較(jiao)普遍的旋(xuan)✍️風分離器(qi)和彙管在(zai)标🚶準中就(jiu)沒有🌈規定(ding)。
(2)試驗研究(jiu)需花費巨(ju)大的人力(li)物力,一種(zhong)類型阻流(liu)件需🈚進行(hang)各種口徑(jing)的試驗,每(mei)種口徑有(you)一系列的(de)月值‼️,還有(you)雷諾數(流(liu)量)範圍變(bian)化的試驗(yan),可以想象(xiang)🤩,這種排列(lie)組合方式(shi)的試驗工(gong)作量有多(duo)麽巨大,實(shi)在是不勝(sheng)♋負擔的一(yi)項工作。
(3)采(cai)用流動調(diao)整器以縮(suo)短直管段(duan)長度不是(shi)一種好辦(ban)法,它會帶(dai)來附加壓(ya)損,流體中(zhong)雜質易在(zai)其中堵塞(sai),增加現場(chang)使用維護(hu)的工作量(liang)。
(4)非定常流(liu)的特例脈(mo)動流測量(liang)雖然有一(yi)個ISO技術報(bao)☂️告(ISO/TR3313)可♌參考(kao),但實際上(shang)孔闆流量(liang)計是不适(shi)合用于脈(mo)動流測量(liang)的,其🔱原因(yin)是信号(差(cha)壓)與流量(liang)爲非線性(xing)💛關系(平方(fang)關系),引壓(ya)管線使信(xin)号遲滞及(ji)畸變,節流(liu)件對脈動(dong)波産生障(zhang)礙形成波(bo)♍的反射等(deng)🔴等。
2氣體超(chao)聲流量計(ji)
　　新型的氣(qi)體超聲流(liu)量計采取(qu)多聲道配(pei)置的方案(an)🔞來對🔴付速(su)度分布畸(ji)變及旋轉(zhuan)流等不正(zheng)常流動特(te)性的👅影響(xiang)。例如📞多聲(sheng)道氣體超(chao)聲流量計(ji),其工作原(yuan)理如圖l所(suo)示。流量計(ji)的🔞檢測件(jian)是一個帶(dai)有5個超聲(sheng)通道(聲道(dao))的圓形短(duan)管,這5個聲(sheng)道是這樣(yang)組成的:采(cai)☀️用2個具有(you)二次反射(she)的聲♍道和(he)3個單反✔️射(she)聲道,它們(men)組成爲一(yi)個超聲通(tong)道網絡,對(dui)整個管道(dao)橫截面積(ji)😄都能進行(hang)🌍分析,在分(fen)析速度分(fen)布畸變與(yu)旋轉流對(dui)測量值影(ying)響的基礎(chu)上制定儀(yi)表信号處(chu)理方案。這(zhe)🚶‍♀️種解決不(bu)正常流動(dong)特性的方(fang)法有以下(xia)特點:
(l)氣體(ti)超聲流量(liang)計檢測件(jian)是一段無(wu)阻礙物的(de)圓管,與孔(kong)闆流量計(ji)中有節流(liu)件阻礙相(xiang)比對流動(dong)特性的影(ying)響較易分(fen)析。由于檢(jian)測件形狀(zhuang)的特殊性(xing),而超聲流(liu)量計的檢(jian)測件是一(yi)段圓管,在(zai)流🔴體力學(xue)專業資料(liao)中可🔞以找(zhao)到許多參(can)考資料,因(yin)此二者處(chu)理此問題(ti)所依靠的(de)背景資料(liao)❓有很大差(cha)别🐆。
(2)氣體超(chao)聲流量計(ji)處理此問(wen)題是采取(qu)分析對象(xiang),制定檢測(ce)策略的方(fang)法,孔闆流(liu)量計則進(jin)行一個個(ge)阻流件試(shi)驗,無論技(ji)術上或🏃經(jing)濟上其效(xiao)率與效果(guo)都很不相(xiang)同,氣體超(chao)聲流量計(ji)的優點是(shi)顯然的。
(3)目(mu)前發展多(duo)聲道檢測(ce)件隻能在(zai)較大口徑(jing)(DN150以上)應用(yong),今後中小(xiao)口徑如何(he)解決相信(xin)氣體超聲(sheng)流量計是(shi)會🌂找到解(jie)決♍辦法🔴的(de)。

　　流量計的(de)幹校一一(yi)儀表系數(shu)的偏離問(wen)題對于大(da)口徑(DN200以❄️上(shang))流量測量(liang)來說,流量(liang)計能否實(shi)行幹校(無(wu)需實流校(xiao)驗)是推廣(guang)應用的一(yi)個關鍵因(yin)素,某些情(qing)況下甚至(zhi)是用戶采(cai)用與否的(de)決定性❄️因(yin)素。孔闆流(liu)🏃🏻‍♂️量計借助(zhu)🔞國際上長(zhang)期的試驗(yan)研究及實(shi)🌈踐經驗的(de)總結,早在(zai)30年代就開(kai)始實行儀(yi)表的幹校(xiao),這是它獲(huo)得廣泛應(ying)用❓的重要(yao)原因。氣體(ti)超聲流量(liang)計若要在(zai)🏃🏻‍♂️天然氣工(gong)業輸配氣(qi)計量站得(de)到廣泛應(ying)用,幹校可(ke)能是一個(ge)必要條件(jian),一般來說(shuo)輸配氣計(ji)量站管線(xian)都是中大(da)口徑的。
　　幹(gan)校是儀表(biao)投用前确(que)定流量計(ji)儀表系數(shu)(或流出系(xi)🏃‍♀️數)的一📱種(zhong)方法,但是(shi)更重要的(de)是幹校确(que)定的儀表(biao)系數在現(xian)場🔴是否适(shi)用以及能(neng)否保持長(zhang)期穩定。
l孔(kong)闆流量計(ji)
　　孔闆流量(liang)計幹校後(hou)在現場使(shi)用時其流(liu)出系數可(ke)能偏離标(biao)⛱️準值的影(ying)響因素如(ru)表l所示。

由(you)表可見:
(l)結(jie)構的偏離(li)有些是制(zhi)造時産生(sheng)的,有些則(ze)是在長期(qi)使用中由(you)于流體介(jie)質腐蝕、磨(mo)損、沽污等(deng)造成的🌈,後(hou)者是更難(nan)解決的👅問(wen)題。
(2)管線布(bu)置的偏離(li)是普遍性(xing)的,現場不(bu)能滿足直(zhi)管🏒段長👄度(du)要🌈求配置(zhi)流動調整(zheng)器不是一(yi)個好辦法(fa),前✉️面已談(tan)過,除此以(yi)外,隻有🐪增(zeng)大測量誤(wu)差了。
(3)使用(yong)的偏離,現(xian)場情況千(qian)變萬化,很(hen)難維持實(shi)驗室⭕的參(can)比工作條(tiao)件,這是現(xian)實情況。對(dui)于天然氣(qi)工業在原(yuan)料氣測量(liang)領域(氣井(jing)到處理廠(chang)之間的天(tian)然氣),這一(yi)問題更爲(wei)突出,孔闆(pan)流量計在(zai)此領域基(ji)本上是不(bu)适用的。
　　我(wo)國制定的(de)天然氣行(hang)業标準SY/T6143一(yi)1996《天然氣流(liu)量的标💃🏻準(zhun)孔闆🐉計量(liang)方法)中特(te)别增加一(yi)個附錄(節(jie)流裝置在(zai)使用中出(chu)現部分偏(pian)離标準規(gui)定的處理(li)》說明天☀️然(ran)氣從地層(ceng)中開采出(chu)來,雖經分(fen)離,除塵和(he)過濾,因其(qi)所含成份(fen)十分複雜(za),從單井計(ji)量,集氣❤️計(ji)量到配氣(qi)計量,氣質(zhi)組分各不(bu)相同,所以(yi)節流裝置(zhi)在作用💃🏻中(zhong)其沖刷、腐(fu)蝕亦各不(bu)相同,特🌍别(bie)對孔闆直(zhi)角人口邊(bian)緣和測🏃‍♂️量(liang)管内壁的(de)沖刷腐蝕(shi)尤爲嚴重(zhong),因此在實(shi)際應用中(zhong)采取在流(liu)出系數中(zhong)增加二個(ge)修正系數(shu),即孔闆人(ren)口尖銳度(du)💯修正系數(shu)和管壁粗(cu)糙度修⛹🏻‍♀️正(zheng)系數。這種(zhong)解決辦法(fa)實在是不(bu)得已而👣爲(wei)之,其效果(guo)并不理想(xiang)。
　　孔闆流量(liang)計易于偏(pian)離标準的(de)原因應該(gai)從儀表本(ben)身的工作(zuo)原理與結(jie)構特點去(qu)尋找。由于(yu)儀表特性(xing)取決🧡于節(jie)流裝✉️置的(de)幾何形狀(zhuang)及尺寸,現(xian)場的長期(qi)應用難免(mian)不産生磨(mo)損、腐蝕和(he)積垢等使(shi)幾何形狀(zhuang)及尺寸改(gai)變的情況(kuang),引壓管線(xian)是孔闆流(liu)👉量計易發(fa)生故障的(de)部件,據統(tong)計由于引(yin)壓管線堵(du)塞、洩漏、凍(dong)結等使信(xin)号不正常(chang)約占儀表(biao)故障率的(de)70%,其他如不(bu)✨正常流動(dong)特性引起(qi)的測量誤(wu)差隻🔞能采(cai)取一些消(xiao)極的辦法(fa)解決。
氣體(ti)超聲流量(liang)計
　　氣體超(chao)聲流量計(ji)目前尚未(wei)普遍實行(hang)幹校,但從(cong)儀表工作(zuo)原🌈理♌及結(jie)構上看實(shi)行幹校是(shi)可能的困(kun),隻🔞是目前(qian)成熟程度(du)(幹樣的必(bi)要條件)尚(shang)不能與孔(kong)闆🍉流量計(ji)相比,隻✏️要(yao)加強理論(lun)探讨積累(lei)實踐經驗(yan),實行幹校(xiao)隻⛱️是時間(jian)上的問題(ti)。
以下我們(men)來探讨一(yi)下幹校後(hou)會不會出(chu)現與孔闆(pan)流量計一(yi)樣的問題(ti),這是更爲(wei)重要的方(fang)面。
氣體超(chao)聲流量計(ji)的流量方(fang)程。

式中
qv—體(ti)積流量;
L—超(chao)聲波在流(liu)體中的傳(chuan)播路徑長(zhang)度(聲道長(zhang)度);
A—管道橫(heng)截面面積(ji);
Ψ—超聲波傳(chuan)播方向與(yu)流體流向(xiang)之間的夾(jia)角(聲道角(jiao));
tab—超聲波從(cong)換能器a到(dao)換能器b的(de)傳播時間(jian);
t、—超聲波從(cong)換能器b到(dao)換能器a的(de)傳播時間(jian);
K—儀表系數(shu)。
　　由式(l)可見(jian),體積流量(liang)的測量準(zhun)确度決定(ding)于3部分:時(shi)間差,結構(gou)參❤️數L,A, Ψ等的(de)測量誤差(cha)和儀表系(xi)數K的準确(que)🐇度。
(l)與孔闆(pan)流量計相(xiang)比較,氣體(ti)超聲流量(liang)計沒有如(ru)節⭐流裝🥰置(zhi)👣幾何形狀(zhuang)及尺寸變(bian)化影響儀(yi)表特性的(de)問題,聲道(dao)長🔞度,聲道(dao)角及管道(dao)橫截面面(mian)積是比較(jiao)恒定的參(can)數,亦沒✏️有(you)引壓管線(xian)之類易引(yin)起故障的(de)部🧡件,根據(ju)現場條件(jian)确定儀表(biao)系數及維(wei)持長期穩(wen)定是比較(jiao)可能的。
(2)解(jie)決速度分(fen)布畸變與(yu)旋轉流的(de)方法與孔(kong)闆流量計(ji)不同㊙️,沒有(you)阻流件對(dui)号人坐的(de)問題,亦不(bu)采用會引(yin)起副作用(yong)的流動調(diao)整器,它是(shi)從聲道設(she)置方案✍️人(ren)手,更㊙️着重(zhong)于軟測量(liang)🌍方法解決(jue)問題,便于(yu)應付現場(chang)複雜多變(bian)的條件。
(3)對(dui)非定常流(liu)測量,氣體(ti)超聲流量(liang)計是完全(quan)适合的,其(qi)原因由儀(yi)表工作原(yuan)理與結構(gou)所決定:①信(xin)号與流量(liang)(流速)爲線(xian)性關系;②檢(jian)測🥰件内無(wu)阻礙物;③非(fei)接觸測量(liang);④測量采用(yong)高速數字(zi)✍️信号處理(li)技術。這些(xie)特點使它(ta)可以快速(su)響應流體(ti)流動的🌈動(dong)态變化。
其(qi)他儀表性(xing)能的比較(jiao)
1範圍度
　　孔(kong)闆流量計(ji)範圍度窄(zhai)(約爲3:1一4:1),近(jin)年來雖從(cong)多方面采(cai)取措施拓(tuo)🏃🏻寬其範圍(wei)度,如采用(yong)寬量程差(cha)壓變送器(qi),多台差壓(ya)變送器并(bing)聯使用,采(cai)用可換孔(kong)闆節流裝(zhuang)置以及智(zhi)能流量顯(xian)示儀等等(deng),但與⛹🏻‍♀️氣體(ti)超聲流量(liang)計相比未(wei)免遜色。氣(qi)體超聲流(liu)量計範圍(wei)度可達40:1(DN150)一(yi)160:l(DN75O),在實際使(shi)用中流量(liang)計☔可測流(liu)量(流速)下(xia)限值是一(yi)個更重要(yao)的指标,我(wo)國大口徑(jing)氣體管道(dao)系統普遍(bian)運行低流(liu)速範圍(流(liu)速上限值(zhi)僅5m/s,或更低(di)),使得流量(liang)計選型困(kun)難。氣體💔超(chao)聲流量計(ji)下限流速(su)偏差如表(biao)2所示。
　　如管(guan)徑爲DN125時,測(ce)量誤差爲(wei)1%,則下限流(liu)速可達:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管(guan)徑爲DN1600時✉️,測(ce)量誤📧差🧡爲(wei)l%,則下限流(liu)速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.

　　據(ju)資料介紹(shao),在天然氣(qi)輸配氣計(ji)量站中,一(yi)座用孔闆(pan)流量計做(zuo)爲計量儀(yi)表的計量(liang)站,爲滿足(zu)範圍度的(de)要求,需設(she)置✂️4條DN400mm管線(xian),如采用氣(qi)體超聲流(liu)量計則隻(zhi)需設置2條(tiao)DN600mm管線或一(yi)條ND700mm管線👣,這(zhe)樣采用氣(qi)體超聲💯流(liu)量計可節(jie)省一次🏃🏻性(xing)投資10一㊙️40%,節(jie)省占地空(kong)間50一75%,并且(qie)精度更高(gao),工作更穩(wen)定,維護量(liang)更少。
2壓力(li)損失
　　孔闆(pan)流量計以(yi)壓損大著(zhe)稱,而氣體(ti)超聲流量(liang)計恰是無(wu)壓損(僅相(xiang)當于一段(duan)管道)儀表(biao),對于大口(kou)徑,這個特(te)點很🌈重要(yao),它可以節(jie)約能耗或(huo)适用于低(di)靜壓氣體(ti)管道系統(tong)的測量。
3儀(yi)表造價
　　對(dui)于孔闆流(liu)量計随着(zhe)口徑增大(da),檢測件造(zao)價及安裝(zhuang)成✌️本大幅(fu)度提高,而(er)氣體超聲(sheng)流量計的(de)檢測件制(zhi)造成本與(yu)口徑大💛小(xiao)的關系僅(jin)相當于管(guan)道價值的(de)增加,因此(ci)它是一種(zhong)特别适用(yong)于大口徑(jing)的儀表👄。
4使(shi)用維護
　　孔(kong)闆流量計(ji)由3部分組(zu)成:節流裝(zhuang)置、 差壓變(bian)送器 和流(liu)量顯示儀(yi)。在現場惡(e)劣工作條(tiao)件作用下(xia)節流裝置(zhi)與差壓變(bian)送器及其(qi)連接部分(fen)引壓管線(xian)是使用維(wei)護的重點(dian),天然氣輸(shu)配氣計量(liang)站爲經常(chang)檢查🔞孔闆(pan)的質量,常(chang)增設旁路(lu)管或♈采用(yong)價格昂貴(gui)的可換孔(kong)闆節流裝(zhuang)置,這些都(dou)使儀表及(ji)其輔助設(she)備造價增(zeng)加,也增加(jia)了維護工(gong)作量。氣體(ti)超聲流量(liang)計檢💔測件(jian)比較牢固(gu),維護工作(zuo)量少,甚至(zhi)可做成插(cha)人式探頭(tou),在不斷流(liu)情況下取(qu)🥰出維修。
　　氣(qi)體超聲流(liu)量計與孔(kong)闆流量計(ji)在天然氣(qi)工業中💃的(de)應用進行(hang)一些比較(jiao),由上述可(ke)見,在大口(kou)徑測量👌方(fang)面,氣體超(chao)聲流量計(ji)無疑更爲(wei)優越。孔闆(pan)流量計畢(bi)竟已經發(fa)展數十年(nian)至上百年(nian)曆史,全世(shi)界流量工(gong)作者都💯對(dui)它進行過(guo)巨大的理(li)論與實踐(jian)工作,取得(de)極爲豐富(fu)的經驗,相(xiang)比之下,氣(qi)體超聲流(liu)量計僅剛(gang)嶄露頭角(jiao),尚✂️需通過(guo)實踐走😘向(xiang)成熟,至于(yu)中小口📱徑(jing)方面,需作(zuo)更多的工(gong)作。

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