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ABG儀表集團
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閱讀：1018發(fā)布時間：2013-5-22
1 研究背景及意義
天然氣是一種、清潔燃料和化工原料。天然氣流量計量是天然氣生產(chǎn)和使用中必須解決的一個重要問題。在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中流量計量是一項日常進行的重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作。天然氣的準(zhǔn)確計量不但能公平地進行貿(mào)易結(jié)算，而且能指導(dǎo)改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益和社會效益。作為吐哈油田運銷處天然氣輸氣工區(qū)在天然氣生產(chǎn)計量中選用的流量計儀表是孔板流量計。輸氣工區(qū)共使用孔板流量計15套，用以進站計量和外輸計量。天然氣輸氣工區(qū)的孔板流量計是由*第5719工廠生產(chǎn)的型可換孔板閥和北京遠東羅斯蒙特儀表公司生產(chǎn)的智能差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器以及流量顯示設(shè)備組成。
2 孔板流量計的計量原理及特征
2.1 孔板流量計的計量原理
孔板流量計是根據(jù)流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流元件時在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比關(guān)系來計量流量的。
2.1.1 差壓法測氣原理
充滿管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)節(jié)流設(shè)備（如孔板）時，流束將在節(jié)流設(shè)備處形成局部收縮，使部分壓能轉(zhuǎn)為動能，其結(jié)果使流速增加，靜壓降低，在節(jié)流設(shè)備前后產(chǎn)生了壓力降。對于一定型式、一定尺寸的節(jié)流設(shè)備來說，所產(chǎn)生的壓差與氣流量有關(guān)，流量越大，壓差也越大；流量減少，壓差也減??；流量為零，壓差也為零。因此，通過測量壓差的大小，就可間接地計量氣體流量，這種方法就稱差壓法測量氣體流量。
2.1.2 流束局部收縮和壓差的產(chǎn)生
在孔板前，連續(xù)流動著的流體將遇到孔板的阻擋。在管壁處的流體由于受孔板阻擋，阻力zui大，使流體速度降低，部分動能轉(zhuǎn)變成靜壓能，其結(jié)果使孔板入口端面接近管壁處的流體靜壓力升高。而管道中心流速zui大，靜壓zui低，使其在同一端面形成徑向壓力差，其結(jié)果將使流體質(zhì)點在這一徑向壓差作用下產(chǎn)生一徑向加速度。在這一徑向速度作用下，靠近管壁處的流體質(zhì)點以偏轉(zhuǎn)一個角度向孔口流動，形成了流束的局部收縮。
由于流體運動的慣性，流經(jīng)節(jié)流設(shè)備后流體將繼續(xù)保持原來的流動方向，在孔板出口端面處形成一zui小收縮截面，此處流束截面zui小，流速達zui大，壓力zui低。此后，流束又逐漸擴大，壓力逐漸恢復(fù)升高，直到流體充滿整個管道，壓力恢復(fù)到zui大值。但孔板后的壓力并沒有恢復(fù)到原來的數(shù)值，兩者壓力之差，即為流體流經(jīng)節(jié)流設(shè)備后所產(chǎn)生的壓力損失。此壓力損失主要是由流體流經(jīng)節(jié)流設(shè)備后流束突然擴大所產(chǎn)生渦流呆滯現(xiàn)象所造成的。在孔板出口端面處，流速已比原來增大，靜壓力也就較原來低。即p1＞p2（p1、p2分別為孔板前后的壓力）。只要測量出p1、p2之差，就可計算出通過孔板氣體流量的大小?？装?font color="#0000ff">流量計理論流量計算公式為：
式中：qν為工況下的體積流量，m3/s；C為流出因數(shù)，無量綱；β=d/D，無量綱；d為工況下孔板開孔直徑，mm；D為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε為可膨脹因數(shù)，無量綱；△p為孔板前后的差壓值，Pa；p1為工況下流體的密度，kg/m3。對于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣流量的實用計算公式為：
式中：qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；As為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定。此式As=3.1794×10-6；C為流出系數(shù)；E為漸近速度系數(shù)；d為工況下孔板開孔直徑，mm；FG為相對密度系數(shù)；ε為可膨脹系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為流動溫度系數(shù)；P1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流靜壓，MPa；△p為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，Pa。這種測量方式是以能量守衡和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)的。孔板流量計就是通過節(jié)流設(shè)備產(chǎn)生差壓，通過引壓管將差壓信號傳遞給計由差壓變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號傳入主控室集散控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。
2.2 孔板閥
天然氣輸氣工區(qū)孔板流量計的主要部件孔板閥（采用型閥式孔板節(jié)流設(shè)備），主要用于差壓式流量計的信號的產(chǎn)生和傳輸，可實現(xiàn)在線更換孔板，不影響輸送介質(zhì)，無附加管路；設(shè)備內(nèi)有孔板安裝定位機構(gòu)，標(biāo)定準(zhǔn)確度等級為0.5級；該設(shè)備設(shè)有上、下兩個密封腔，以及滑閥部件，無旁設(shè)附加管線，設(shè)備上、下腔間的密封件采用全硬密封結(jié)構(gòu)，閥板和閥座采用22Cr堆焊硬質(zhì)合金，設(shè)有注入密封脂輔助結(jié)構(gòu)，可以防止閥座、閥板密封面上污物的沉淀；采用法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板作為流量檢測元件。
2.3 計量誤差來源
孔板流量計在現(xiàn)場使用中還存在不少問題，由于新疆天氣溫差大，現(xiàn)場使用條件惡劣，節(jié)流設(shè)備與差壓變送器及其連接部分引壓管線、孔板片就是出現(xiàn)誤差和使用維護的重點。天然氣從地層中開采出來后，雖經(jīng)分離、除塵和過濾，但節(jié)流設(shè)備在使用中也受到不同程度的腐蝕，特別對孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷、腐蝕尤為嚴(yán)重，這將影響孔板直角入口邊緣半徑和測量管內(nèi)壁的相對粗糙的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，流出系數(shù)將發(fā)生變化，流量測量不確定度超出估計數(shù)。以下便從孔板流量計的軟件問題和硬件問題兩方面作簡要分析。
2.3.1 孔板流量計的軟件問題產(chǎn)生的誤差
采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等有關(guān)。實際運行流量值偏離設(shè)計流量值，這是現(xiàn)場zui常見也是我們zui關(guān)心的問題。在多數(shù)情況下，設(shè)計流量值定的都比較高，但實際運行流量值較低，簡要分析其原因主要有：
差壓變送器的可靠度是按引用誤差計量的。差壓計的誤差分布：若系統(tǒng)在50%以下運行，差壓計的相對誤差在+1%～+6%，對流量的影響+1%～+3%。同時由于雷諾數(shù)是流量值的函數(shù)，流量值偏離必定引起雷諾數(shù)的變化，這樣必然引起流出系數(shù)的變化。這些影響集中在一起，從而產(chǎn)生實際運行流量值偏離設(shè)計值。
介質(zhì)溫度壓力偏離設(shè)計值，在節(jié)流設(shè)備設(shè)計計算時，對介質(zhì)流體（包括氣體和液體）流量是設(shè)計工況下的質(zhì)量流量，這特定條件包括的參數(shù)很多，主要是溫度和壓力參數(shù)。在這特定的條件（溫度、壓力等）下介質(zhì)流體的密度是一定的，如果在實際運行時介質(zhì)流體的溫度、壓力等主要參數(shù)值偏離設(shè)計值，介質(zhì)流體的密度必然也會改變。而介質(zhì)流體的密度改變，對流量值的影響是很直觀的。
為了工藝操作的方便，儀表指示值給出的是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，這是根據(jù)介質(zhì)流體的密度換算出來的。而介質(zhì)流體的密度改變使其換算關(guān)系也改變。兩種影響都會引起節(jié)流設(shè)備測量時的實際運行流量值偏離設(shè)計值。
2.3.2 孔板流量計硬件的問題產(chǎn)生的計量數(shù)據(jù)誤差
（1）孔板閥的問題。
孔板開孔不合適加工尺寸不符合設(shè)計要求。三閥組中的平衡閥關(guān)不嚴(yán)，有少量的泄漏致使氣體在引壓管中流動，減少了進變送器的差壓信號使儀表輸出偏低。檢查方法是將三閥組中的高低壓閥關(guān)閉。如果平衡閥有漏，則輸出會不停的緩慢下降，直至為零，否則儀表輸出應(yīng)不變。安裝不妥造成的誤差。例如管線布置的偏離，管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的，其產(chǎn)生的主要原因是現(xiàn)場不能滿足直管段要求的長度；孔板倒裝使流量計示值下降。儀表本身產(chǎn)生的誤差。例如：孔板入口直角銳利度；孔板厚度誤差；節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏心；孔板上游端面平度；環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心；取壓位置；焊接、焊縫突出；取壓孔加工不規(guī)范或堵塞；節(jié)流件不同軸度。其他誤差。運銷處天然氣輸氣工區(qū)zui常見的誤差例如孔板彎曲（變形）；上游測量管沉積臟物；上游端面沉積臟物；孔板入口直角邊緣變鈍、破損；孔板被劃傷、密封圈損壞、長期使用管道腐蝕，這些硬件問題要相對容易發(fā)現(xiàn)和糾正，針對硬件問題天然氣輸氣工區(qū)制定了保養(yǎng)孔板的有效措施：定期對孔板進行檢查，維護保養(yǎng)，加注密封脂，及時更換相應(yīng)部件。
（2）差壓變送器的問題。
差壓變送器高低壓導(dǎo)管接反?，F(xiàn)場表現(xiàn)為差壓變送器的輸出不上升反而變?yōu)榱阆?，可用以下兩種方法：一是改變檢測部件和傳送部件的相對位置和導(dǎo)壓管接口；二是改變正反作用接片位置。儀表引壓管堵塞，引起流量計儀表輸出變化緩慢，甚至不變。天然氣內(nèi)含有固體懸浮顆粒或油污，時間久了，有的還會固化，引起引壓管堵塞，使測量無法正常進行。例如差壓變送器引壓管冬季凍堵（濕氣），引起計量不準(zhǔn)確，天然氣輸氣工區(qū)針對這點，增設(shè)了電伴熱，保溫措施，定期排污。
3 結(jié)語
在進一步實現(xiàn)天然氣輸氣工區(qū)孔板流量計的準(zhǔn)確計量、減少誤差，首先要加強管理、提高人員素質(zhì)?？装?font color="#0000ff">流量計易于偏離標(biāo)準(zhǔn)的原因在于儀表本身的工作原理與結(jié)構(gòu)優(yōu)點，儀器自身誤差是制造時產(chǎn)生的，安裝和使用誤差則是在安裝時或長期使用中由于流體介質(zhì)腐蝕、磨損等造成的。因此，應(yīng)嚴(yán)格按技術(shù)要求安裝流量計量系統(tǒng)，消除安裝誤差。在使用過程中，操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護、保養(yǎng)工作，延長其使用壽命，減少計量誤差。其次測量儀表的正確選用也很重要。測量儀表應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流設(shè)備，當(dāng)流量變化范圍大時要考慮用寬量程智能差壓變送器（天然氣輸氣工區(qū)現(xiàn)用的都是智能差壓變送器）。
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