差压式孔板流量计计量天然气流量的误差分析

0 引言

标准孔板流量计结构简单，操作较方便，使用技术成熟，使得其在管道计量中得到广泛应用，据统计，目前孔板流量计是我国天然气管道计量用得最多的计量设备，占整个贸易计量的50%左右。为了规范孔板流量计量，国家专门制定了GB2628和SY/T 6143计量标准，对计量系统进行了说明和要求，同时，也出台天然气场站仪表配备指南，对计量系统仪器仪表精度等级进行了要求。但是由于孔板流量计计量系统的结构特点,决定了会产生两种误差，一种是基本误差，这是流量计本身所存在的误差，第二种是附加误差，是由于流量计在使用时偏离了标准条件产生的。由于人为操作的环节多，且天然气这一物质的计量是一种连续的、不可重复的计量，若不加以适时监控，所引起的计量附加误差相当大，尤其当天然气作为商品进行贸易结算时，为供需双方带来不利影响,本文分析了产生误差的主要原因，并提出了相应的整改措施。

1 孔板流量计的结构组成及其测量原理

1.1 结构组成

孔板流量测量系统一般由节流装置(标准孔板)、压力变送器、差压变送器、铂热电阻及其流量积算仪组成。其中孔板节流装置包括孔板、孔板夹持器和上下游直管段。其结构如图1所示。

图1 孔板节流装置的组成

1.2 测量原理

天然气经过孔板后，在孔板前后产生差压，实验结果证明，天然气的流量和差压的平方根成正比，算出比例系数也就测出了流量。

(1)差压式孔板流量计包括三部分:①现场取压部分，包括高级孔板阀、前后直管段、导压管;②温度、压力、组分补偿部分，包括现场用温度变送器、压力变送器、天然气组分分析仪计量的实时数据;③流量计算部分，指专用流量计算机(或计算仪)所安装的计量标准程序。(2)在实际应用过程中，当充满管道的流体流经管道内的节流件时，如图2所示。

流线将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种计量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和.. 伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。以伯努利方程式和流体流动的连续性方程式为依据，天然气流量计算公式为：

根据气体易压缩、密度差异大、受温度影响特点，得出天然气流量计量的实用公式是：

其中:Q n为标准状态下气体体积流量;A h为常数,标况下为0.008686;α.. 为特定流量系数; γre为计量管内壁流量修正系数;b k为孔板(0) 入口边缘锐利度修正系数;F r为雷诺数修正系数;ε为气体膨胀系数;d为孔板在20℃下实测的开孔口径;F a为孔板热膨胀修正系数;F 为天然气相对密度修正系数;F z为超压缩系数;F t为流体流(g) 动温度修正系数; P1为孔板上游侧绝对压力;h w为气体流过孔板时的差压。

2 误差因素分析及技术要求

2.1 基本误差

(1)由计量装置本身精确度所决定的误差。由于孔板流量计测得的流量是根据差压信号间接求得的。从公式可以看出，影响计量精确度的主要因素是α、F、ε等值。必须保持α、F、ε均为恒定值,才能达到差压和流量之间有恒定的对应关系。但在实际生产中，α、F、ε都与某些因素有关，特别是流量系数α，它是一个影响因素复杂，变化范围大的重要系数，如果在计量过程中不能保证α为恒定值，则计量误差将会较大。

从资料和实验证明，流量系数α值与取压点位置、孔板的开孔截面积和管道截面积比(m=d2/D2)、雷诺数、管壁粗糙度、孔板入口边缘尖锐度有关。所以，标准孔板的选用应符合下列技术要求:

孔板相对于开孔直径d的轴线中心对称;
孔板上游端面A应于下游端面B平行，并且与开孔直径d的轴线垂直;
孔板A面、B面应无可见的损伤;
孔板开孔直径d的上游测直角入口边缘G应锐利,无毛刺和划痕。
孔板开孔直径d的内圆柱表面长度e应符合:0.005D≤.. e≤0.02D;
孔板的厚度应符合:e≤F≤0.005D;
孔板下游侧出口边缘H和孔板开孔圆柱形下游侧出口边缘I应无毛刺、划痕和可见损伤;

标准孔板在使用过程中,会由于天然气的侵蚀而产生变形,从而引起流量系数增大而产生计量误差。因此孔板的材质也是保证孔板工作可靠和计量准确的一个因素。用于天然气计量的孔板采制一般为:Cr17、Cr18Ni9TiC以及其他耐酸钢。

(2)变送器和流量显示仪表的精确度对整套流量计系统的精确度也很重要。目前，变送器大多数采用的都是 4～20mA信号，显示仪表采用数字信号，只要变送器现场安装和系统接地没有问题，整个系统误差不会受到影响。为了减小误差，标准明确了配套仪表的技术要求，设计和使用单位可以参考（见表1）[2]。