天然氣計量與影響分析
1.差壓式流量計
在天然氣中使用的差壓式流量計主要是標準孔板流量計?？装辶髁坑嫿?jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟，而且有相應的國家標準和規(guī)程支撐，在標準GB/T2624－2006、GB/T21446－2008中對孔板流量計的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)要求等進行了詳細描述。
1.1 孔板流量計的基本原理
根據(jù)能量守恒定律，在一定條件下動壓能和靜壓能可以相互轉(zhuǎn)換，在安裝孔板的位置，流體通過孔板后流速加快，導致靜壓能降低，通過測量孔板前后的靜壓差就可推算出流體流量大小。
根據(jù)標準GB/T21446－2008，其流量計算實用公式為：
式中：qvn—天然氣在標準參比條件下的體積流量；Avn—體積流量計量系數(shù)；C—流出系數(shù)；E—漸進速度系數(shù)；d—孔板開孔直徑（mm）；FG—相對密度系數(shù)；ε—可膨脹系數(shù)；FZ—超壓縮系數(shù)；FT—流動溫度系數(shù)；P1—孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對靜壓（MPa）；Δp—氣體流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的壓差（Pa）。
1.2 孔板流量計準確性影響因素
為全面分析影響孔板流量計準確性的影響因素，現(xiàn)主要從天然氣的流體特性、孔板流量計本身儀器性能、孔板流量計的安裝以及使用環(huán)境等多個方面進行分析。
（1）天然氣本身流體特性影響計量的準確度主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是天然氣本身的壓力和溫度會隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，從而導致過大的密度、壓縮系數(shù)以及粘度特性的變化，影響計量準確性。另一方面天然氣含有雜質(zhì)，雜質(zhì)會腐蝕儀器的接觸面，特別是對孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖涮和腐蝕，更是嚴重影響孔板計量的準確性。
（2）孔板流量計本身性能引起的誤差主要有以下幾個方面：孔板入口直角銳利度；孔板厚度誤差；節(jié)流件不同軸度；取壓孔加工不規(guī)范或堵塞；孔板上游端面平度；取壓位置；引壓管位置偏低造成積液或引壓管過長等。
（3）孔板流量計因安裝不當引進的誤差主要表現(xiàn)在：管線布置偏離，直管段長度不符合GB/T21446－2008標準要求。溫度傳感器測溫元件插入位置不對，導致溫度計量誤差偏大。
（4）使用環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在環(huán)境溫度和濕度的變化，以及電磁干擾對電子元器件的影響。
2 速度式流量計
2.1 渦輪流量計的基本原理
渦輪流量計是以動量矩守恒原理為基礎(chǔ)，流體作用在軸向安裝的葉輪葉片上，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，根據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)即可求出流量值，后通過電磁轉(zhuǎn)換設備將渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)變化成電脈沖信號，經(jīng)二次儀表進行計算和顯示。
流體在層流狀態(tài)時，流體的流動阻力與流體粘度、流量成正比。流體的阻力矩逐漸增大，而機械阻力矩可以忽略不計，此時的儀表系數(shù)為：
式中：Z—渦輪葉片數(shù)目；θ—葉片與軸線夾角；r—葉片平均半徑；A—流通截面積；ρ—流體密度；μ—流體粘度；C1—常數(shù)。
流體在湍流狀態(tài)時，流體的流動力矩與流量的平方、流體密度成正比。此時的儀表系數(shù)為：
式中：C2—常數(shù)。
從湍流狀態(tài)時的儀表系數(shù)可以看出，在這種情況下，儀表系數(shù)只與儀表結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體的特性無關(guān)，為一恒定常數(shù)。渦輪流量計就是根據(jù)這一區(qū)間內(nèi)來確定流量范圍。
2.2 渦輪流量計準確性影響因素分析
流體特性、表計安裝工藝以及使用環(huán)境等都會對渦輪流量計的準確性造成影響。
（1）關(guān)于流體特性的影響。一方面，從渦輪流量計的原理中可以看出，為使儀表達到佳的計量特性，應使被測流體處于湍流狀態(tài)，只有在這種狀態(tài)下，儀表系數(shù)才不會跟隨流量的變化而變化。另一方面，流體的流速分布和旋渦流是影響其精確計量的主要因素，為此在配管時要求在流量計上游有15D以上的直管段，下游部分配置4D以上的直管段，目前實際使用中渦輪流量計通常自帶整流器，安裝時直管段可適當縮短。
（2）渦輪流量計的機械阻力、部件尺寸等也會影響計量精度。由于被測流體不可避免的含有雜質(zhì)，會使渦輪軸承磨損、葉輪腐蝕或者卡死，導致機械阻力增大，部件尺寸變化影響精度，所以在現(xiàn)場使用時，需要在前端安裝過濾器。另外，渦輪流量計若長期超流量運行，會造成軸承過度磨損，使儀表系數(shù)改變，導致計量不準。
3 容積式流量計
3.1 腰輪流量計的基本原理
當流體流入流量計后，推動計量室內(nèi)部上方的腰輪順時針旋轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動齒輪帶動下方的腰輪逆時針旋轉(zhuǎn)，上下腰輪交替旋轉(zhuǎn)，帶動流體不斷地從計量室流出，流體排出量為4倍計量室有效容積。據(jù)此，腰輪每旋轉(zhuǎn)一次就有固定容積的流體排出，通過計算單位時間內(nèi)腰輪的動作次數(shù)，即可求出通過流量計的體積流量。
腰輪流量計特性可用測量通過的體積誤差E描述，通常表示為：
式中：E—相對誤差；q—容室體積；α—齒輪比常數(shù)；ε—流體泄露量；Q—流體流量。
從體積誤差公式中可以看出，當流體流量很小時有ε≈Q，流量計無法計數(shù)，測量誤差趨于無窮。當流體流量增大時，由于進出口的壓差也增大，泄露量也隨著增大，相應地誤差E也增大。所以，在流體流量過小和過大時，腰輪流量計的誤差都變化很大，只有在一定的流量范圍內(nèi)使用時才能確保計量誤差的恒定。
3.2 腰輪流量計準確性影響因素分析
（1）影響腰輪流量計準確性的一個很重要因素就是流體的泄露量。泄露量是指從流量計入口流入后，從轉(zhuǎn)動部件和外殼之間的間隙流出，沒有被計量到的量。它的大小與轉(zhuǎn)動部件和外殼間的間隙有直接關(guān)系，當該間隙過大時，流量計的誤差穩(wěn)定段就會縮小，誤差增大，相反，流量計的誤差穩(wěn)定段會增長，誤差減小。所以在使用時，要綜合考慮被測流體的清潔度和測量誤差要求，選擇合適間隙的流量計。
（2）測量范圍的選擇。從圖1的誤差曲線可以看出，腰輪流量計只有在一定的范圍內(nèi)，其測量誤差才能保持一定，當超出該范圍時，誤差將急劇增大。
4 流量計選型對測量精度的影響
流量計的選型不對將會影響測量的精度以及使用壽命，特別是當流量計的口徑、規(guī)格、測量范圍選擇不當時，會造成“大馬拉小車或小馬拉大車”的現(xiàn)象，將嚴重影響計量的準確性。所以在天然氣流量計的選用時，應在了解各類型流量計計量原理和特性的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合不同的天然氣管路工況和用戶流量需求進行綜合考慮。幾種常用天然氣流量計的特點和應用場合如表1所示。
5 流量計安裝維護對測量精度的影響
在城市天然氣流量計使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)流量計卡死不過氣、過氣不計量等問題，這就會造成計量糾紛甚至安全事故，為了避免以上問題，保障流量計計量準確，就要把好流量計安裝關(guān)。包括安裝流量計前需要對管道進行吹掃，防止焊縫、PE屑、管道粉塵等雜物進入流量計。流量計前按要求安裝過濾器，定期對濾芯進行清洗更換。渦輪流量計一般水平安裝，按說明書保證直管段要求，腰輪流量計一般垂直安裝，有利于腰輪流量計的自潔凈。在流量計的日常維護方面，包括對渦輪和腰輪流量計定期加油潤滑，對流量進行監(jiān)控，防止長期超流量運行，從而減緩軸承磨損；對流量計進行定期巡檢，對比管道中壓力表和流量計壓力顯示是否有偏差；對比實際用氣情況和流量計計量數(shù)據(jù)是否一致；對流量計進行周期檢定。
安裝遠程監(jiān)控系統(tǒng)的流量計計量柜要做好接地保護，否則流量積算儀可能會出現(xiàn)不過氣走字或遇打雷天氣，積算儀黑屏等問題。
6 結(jié)束語
隨著城市天然氣不斷地發(fā)展，國家對節(jié)能減排和能源計量的重視，天然氣的準確計量將會變得越來越重要。根據(jù)各種不同類型流量計的準確性影響因素分析，在實際選型、安裝、使用和維護等環(huán)節(jié)盡量減少不利因素的影響，從而提高終計量的準確性。
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