天然气孔板计量中存在的问题及对策

孔板流量计的主要特点是结构简单牢固、易于复制、性能稳定可靠、价格低廉。最大优点是标准化，只要按照国际标准（ISO5167），国家标准（GB/T21446-2008）设计、制作、安装，依据国家检定规程（JJG640）进行本体几何尺寸和二次仪表检定，就可以不经实流标定而直接投入使用。使用标准孔板流量计可以无需实流校准，通过测量孔板前后差压，来确定流体流量，并可估算测量误差，是目前所有流量计中唯一达此标准的，至今尚无任何其它流量计可与之相比。但没有误差的测量是没有的，而且由于孔板流量计的测量方法是建立在实验的基础上，是经国际上长期大量深入细致研究及实践经验总结得出，所以只有与实验时的节流装置几何相似、流体动力学相似，才可得到预期的测量准确度。

本文从实用的角度出发，针对生产实际中孔板流量计在天然气测量中可能产生的主要误差来源进行分析并提出处理方法。

一、孔板设计及参数设置方面

1.标准孔板流量计设计限值

孔板的孔径是根据最大流量、常用流量、最小流量按国家标准GB/T21446-2008给出的公式求得。表中列出的各项参数的适用范围是相互联系又是相互制约的，其中最基本的是量程比。量程比是指在一定准确度要求下流量最大值与流量最小值之比。

最大流量主要是受差压测量和音速限制。标准孔板的流量与差压的平方根成正比例关系，但当流量增加到一定程度时，流量与孔板前后产生的差压的平方根不再成正比例关系，即流量方程式不再成立。当流量继续增加，在孔板开孔处的流速达到音速时，孔板下游的压力P2与上游压力P1之比约为0.75，之后无论改变何种参数，流量都不会增加，也就是说工况体积流量恒定，此时称为临界流即P2/P1≥0.75。

最小流量主要受三方面制约：①机械加工的限制。当d2012.5mm，D2050mm时孔板节流装置按标准规定的几何相似加工制作很困难，尤其是孔板入口锐利度rk/d≤0.0004更是难以加工制作；②流体运动状态限制。雷诺数取下限时对应流体的最小流量。当小于此流量时，流体由紊流变为层流，流体的动力学状态与标准规定的相差很大，此时的流出系数C不再适合标准给出的计算公式计算。③差压变送器准确度要求限制。由于孔板节流装置差压信号经开方后与流量成正比关系，如当流量为最大流量的1/10时，此时产生的差压仅为差压变送器量程的1/100，这时差压测量的相对误差可能比差压变送器的引用误差大100倍，如精度等级为0.5级，量程为1000Pa的差压变送器，当差压为满量程的1/100时即10Pa时，允许有5Pa的误差，但此时的相对误差高达50%，所以此时根本谈不上差压的准确测量。

实际工作中常用的解决方法是：

（1）量程宜小不宜大。标准孔板流量计最佳量程比小于4：1，采用温度、压力补偿技术最大可达到8：1，当超过此范围时已不适用孔板流量计，此时应选用量程比大的流量计。实际工作中，直燃机、锅炉等设备往往有大、中、小及多级火运行，设计时一方面要保证最大用气量的需要，另一方面还要满足最小流量下的准确度要求，所以最好一台设备用一块孔板流量计计量；

（2）差压宜大不宜小。最好选择使用宽量程智能差压变送器；

（3）在满足计量能力条件下缩小管径，提高流速，从而使节流件在较高雷诺数下使用；

（4）将直径比取小些，尽量控制在0.3-0.5之间为宜，这样可以使差压上限取大些；

（5）采用多管并联形式计量。

2.设计参数属实

标准孔板是根据已知的工艺参数计算设计后加工而成，所以采集设计参数如天然气的组分含量、流体的压力、温度等尤为重要，必须属实。其中最为关键的是天然气的密度。根据流量公式可知，流量与相对密度倒数的平方根成正比。假定相对密度与其它量不相关时，当相对密度的不确定度为±0.5%时，天然气的标准体积流量的不确定度为±0.25%，即密度准确性直接影响流量计的准确性，与差压同等重要。而实际工作中常常是将密度事先设定在流量仪表中经温度、压力补偿后参与计算，但事实上天然气成分是动态变化的，这样就不可避免地产生了测量误差。解决方法：

（1）通过在线气相色谱仪适时测量天然气密度；

（2）缩短取样分析周期，及时计算密度并输入二次仪表中，减少密度测量带来的误差。

3.压缩因子

天然气输送过程中管道压力较高，尤其是门站。这样实际气体与理想气体差距很大，不再遵循理想气体状态方程，所以压缩因子必须根据压力、温度随时修正。

解决方法：根据国家标准《天然气计量系统技术要求》（GB/T18603-2001）针对不同等级计量系统，适时计算超压缩系数值。

二、安装方面

1.保证直管段长度：GB/T21446-2008严格规定要根据孔板前阻力件形式要求最短直管段长度。实际工作中由于输气工艺等原因，在计量装置上游往往有许多弯头等阻流件，因此由直管段长度不够引起的计量误差很常见，所以安装时必须注意。当场地不允许时，应在孔板前直管段上安装整流器。

2.保证流体的流动状态：流出系数的误差是影响孔板流量计准确度的一个最重要因素，而标准中给出的流出系数的不确定度是在完全按标准设计、制造、安装、使用情况下即达到几何形状相似和流体动力学相似下的估计值。而这两个相似条件综合体现在孔板上游充分发展的速度分布及没有旋涡和脉动流状态，而实际工作中远远达不到这一水平，尤其压力波动范围宽时。

消除脉动流的方法有：

（1）搞好清管、分离、吹扫工作，清除管道中的积液，可在管道最低处安装分液器；

（2）在满足计量能力条件下，减小管道直径，提高差压；

（3）控制孔板下游阀门；

（4）采用短引压管线，减少管线中的阻力件，并使上下游管线长度相等，减少系统中产生谐振和压力脉动振幅增加；

（5）安装脉动衰减器。

三、使用、维护方面

严格按标准规定使用、维护，其中孔板与差压变送器及连接部分引压管线是使用、维护的重点。现将工作中常遇到不易发现的问题分析并解决如下：

（1）当孔板损伤或入口锐利度改变，会使孔板上下游产生的差压减少，这时流量计计算结果比实际流量偏小，即流出系数发生变化，测量不确定度将超过标准给出的估算值。解决方法：①按标准对流出系数进行修正或更换孔板，此时新孔板的直径比应略大于旧孔板；②若暂无新孔板更换，应按国家标准对流出系数C进行孔板锐利度修正。

（2）孔板变形时，应更换，新孔板的直径比应小于旧孔板。

（3）使用中的节流装置应按照国家标准GB/T21446-2008要求定期清洗、检查，当发现测量直管段内表壁有明显冲刷、腐蚀、结垢时应及时更换新的测量管段，否则一般情况下会使孔板流量计计量偏低。若暂无新测量管更换，应对流出系数C按标准进行粗糙度修正。

（4）为防止取压开关对差压信号的节流，应将针型阀取压开关改为与导压管相同通径的球型阀。

（5）压力变送器、差压变送器准确度要求优于1级，将使用范围控制在量程的1/4-3/4之间，并尽量使工作点附近示值误差最小。当差压变送器工作在量程的20%以下时，应改变差压变送器量程或更换孔板。

（6）仪表严格周期检定。注意仪表零位漂移，定期校准，采用零位漂移小的仪表；为防止静压误差，采用静压误差小的变送器，如EJA变送器。

（7）孔板上下游应使用零泄露轨道球阀。

（8）操作人员要做好系统检修，注意平衡阀内漏及导压管漏气、堵塞问题。

四、计量管理方面

要确保标准孔板流量计的准确度，必须定期进行量值溯源。按照GB/T18603-2001《天然气计量系统技术要求》标准，孔板流量计测量系统按照不同规模规定了准确度等级及配置的二次测量仪表要求，从设计开始，经施工、验收、投产、操作和维护等都要按统一的技术要求执行，使天然气流量测量、流量积算方法、流量计算程序软件都在严格的技术要求控制中，抓好全面质量管理，才能确保流量测量的准确度。完善计量管理制度，制订一项与GB/T21446-2008标准配套切合实际需要的孔板流量计操作使用和管理规程。

参考文献：
[1]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M]北京：化学工业出版社，2009.
[2]朱聪，蒋洪，阳朝晖.提高标准孔板流量计测量准确度的措施[J].油气储运，2005，（2）.(end)