提高標準孔板流量計測量準確度的研究

針對標準孔板流量計存在的問題， 分析影響測量準確度的主要因素， 提出了提高標準孔板流量計測量準確度的具體措施。
    一、影響標準孔板流量計測量準確度的因素
    在實際計量工作中，影響天然氣流量測量準確度有以下幾種因素。
    1. 天然氣實際流動狀態(tài)對計量的影響
    根據(jù)SY/T6143—2004《用標準孔板流量計測量天然氣流量》規(guī)定，氣流通過節(jié)流裝置的流動必須是保持亞音速穩(wěn)定的或僅隨時間緩慢變化的單相牛頓流體。在氣流流經(jīng)孔板前，其流束必須與管道軸線平行，不得有旋轉流，特別不適用于脈動流的流量測量。但是在現(xiàn)場使用中，實際流動狀態(tài)根本達不到這種理想的實驗室的參比條件要求，由于氣井產(chǎn)水、壓縮機的增壓、用戶不均勻用氣、輸氣管道中未設置集液器、聚集在管道低處的天然氣凝液不均勻流動、調(diào)壓閥性能不穩(wěn)、閥心彈動以及分離器放液閥的開關等干擾因素，都會使計量管道中出現(xiàn)脈動流或渦流。從試驗中發(fā)現(xiàn)，在孔板上游40D的直管段產(chǎn)生渦流，會使流量值示值低9%。
    2. 標準孔板節(jié)流裝置偏離標準的影響
    孔板流量計的流出系數(shù)C是在上游直管段充分長的實驗室的參比條件下，即孔板節(jié)流裝置在滿足規(guī)定的技術指標下進行校準標定的，應做到幾何尺寸相似和流體力學相似，才具有其計量的特性曲線。當孔板前后的直管段長度、孔板和孔板夾持器未達到標準要求時，特別是孔板入口直角尖銳度和測量管內(nèi)壁粗糙度達不到標準要求時，都會引起氣流流態(tài)的畸變而使流出系數(shù)C值改變，從而影響流量計準確度。據(jù)文獻可知，對于小孔徑孔板，入口邊緣只要有輕微的磨圓就會引起流量測量值5%的負偏差，嚴重磨蝕和中等沾污的孔板也會引起12%的負偏差。
    3. 流量積算方法不當對計量的影響
    標準孔板節(jié)流裝置與配置不同的二次測量儀表構成不同的流量積算方法。采用標準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。流量測量系統(tǒng)未能嚴格按計量標準要求配置相應的測量儀表，流量積算時氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化未能得到*補償，從而造成流量計準確度下降。
    4. 計量管理對計量的影響
    由計量現(xiàn)場調(diào)查和歷年來的經(jīng)驗表明，計量過程中沒有嚴格執(zhí)行計量管理規(guī)程中要求定期維修和檢驗，會造成計量準確度下降。如節(jié)流裝置沒有定期地進行檢查清洗，孔板取壓裝置嚴重污染，孔板迎流面污物堆積，使計量結果偏低，附加誤差無法估計；計量旁路管道閥門內(nèi)漏，使計量值偏低；計量檢測器具使用和維護不當，造成測量參數(shù)的附加誤差等。同時在流量各參數(shù)的測量和計算過程中有意或無意地滲進了人為因素，造成不同程度的傾向性計量，在校準、取值和計算過程中都向已方有利方面傾斜，這無形中擴大了流量測量的不確定度。
    二、提高標準孔板流量計準確度的措施
    為了提高標準孔板流量計的準確度，可采取以下措施。
    1. 標準孔板節(jié)流裝置的制造與安裝
    利用標準孔板流量計測量天然氣流量必須嚴格按照SY/T6143—2004標準規(guī)定的各項技術指標，對標準孔板節(jié)流裝置進行設計、加工制造、檢驗、安裝和使用。特別是孔板直角入口邊緣尖子度和測量管內(nèi)壁粗糙度的加工和檢驗；孔板前后直管段長度的保證，直管段圓度、臺階以及孔板與測量管同軸度的保證。另外，開發(fā)統(tǒng)一的標準孔板流量計的設計軟件，可提高節(jié)流裝置設計和儀表選型的技術水平。
    2. 采用可換孔板裝置與定值節(jié)流裝置
    可換孔板節(jié)流裝置是一種新型節(jié)流裝置，節(jié)流元件地安裝在固定的座體內(nèi)（座體通過法蘭與管道連接），在不拆動管道或不停止流體輸送的情況下，可方便地提升孔板，進行檢查、清洗或更換，從而保證了計量準確度。采用液壓升降的裝置，孔板提升輕便，特別適用于大口徑孔板。這種節(jié)流裝置還配有清洗室和清洗機構，為解決污垢介質，特別是單井天然氣的準確計量提供了有效手段。
    定值節(jié)流裝置改變了現(xiàn)有節(jié)流裝置根據(jù)計算結果加工其孔徑的方法，對每種通徑測量管道配以有限數(shù)量的節(jié)流件，孔徑系列按優(yōu)先數(shù)系選用，每種通徑配3～5種不同孔徑比β值的孔板。目前節(jié)流裝置設計猶如量體裁衣，定值節(jié)流裝置則變成成衣選用，采用定值節(jié)流裝置有利于產(chǎn)品批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，方便選用和使用，便于監(jiān)督生產(chǎn)?？蓳Q孔板節(jié)流裝置和定值孔板相配套，將改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)了節(jié)流裝置產(chǎn)品系列化、通用化和標準化，有利于提高標準孔板裝置計量的準確度。
    標準孔板存在的缺點是入口直角銳利度易在流體沖刷下發(fā)生鈍化。據(jù)估計，鈍化嚴重的可能使流出系數(shù)偏移1%～2%，鈍化后其流出系數(shù)較為穩(wěn)定，這在流量計算中給孔板入口直角銳利度的修正帶來很大的困難。標準噴嘴的流出系數(shù)是穩(wěn)定的，另外，在同樣流量和相同β值時噴嘴的壓力損失只有孔板的30%。影響標準噴嘴推廣使用的主要原因是噴嘴制造成本高，在標準中噴嘴的流出系數(shù)不確定度較大（約2%）。采用定值節(jié)流件，加工設備實現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，而個別校準則可得到高度的流出系數(shù)，在天然氣流量測量中用噴嘴代替孔板，其優(yōu)點是明顯的。
    3. 應用合理的流量積算方案
    根據(jù)天然氣計量工況條件和用戶對計量精度的要求，應采用對壓力、溫度和天然氣組分變化對流量自動部分補償或全補償?shù)姆e算方案，計量系統(tǒng)測量儀表配備和精度的選用應符合GB/T18603—2001《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》。用智能差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器和流量計算機組成在線檢測系統(tǒng)，使溫度和壓力變化得到補償，可以提高測量準確度，降低流態(tài)脈動（或波動）引起的流量測量附加誤差?？装辶髁坑嬃砍瘫纫话銥?∶3，而實際測量天然氣流量變化有時會超過這個范圍。在這種情況下，其測量準確度顯著下降，如果采用定值節(jié)流裝置，寬量程智能差壓變送器與流量計算機配套使用，可方便地擴展流量量程或遷移量程，進而實現(xiàn)傳統(tǒng)標準孔板流量計的智能化。
    4. 建立健全各項規(guī)章制度
    加強計量管理，建立健全各項規(guī)章制度，嚴格執(zhí)行計量法規(guī)，是確?？装辶髁坑嫓y量天然氣流量準確度的關鍵。按照GB/T18603—2001《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》標準，統(tǒng)一孔板流量計測量系統(tǒng)按照不同規(guī)模規(guī)定的測量系統(tǒng)配置二次測量儀表，從設計開始，經(jīng)施工、驗收、投產(chǎn)、操作和維護等都按統(tǒng)一的技術要求執(zhí)行，使天然氣流量測量、流量積算方法、流量計算程序軟件都在嚴格的技術要求控制中，抓好全面質量管理，才能確保流量測量的準確度。嚴格按照SY/T6143—2004標準，編制“流量計算值的檢驗標準程序”，對各種不同的流量積算方法計算出的流量值進行嚴格的檢驗。對標準孔板流量計測量系統(tǒng)進行流量測量不確定度評估，其測量系統(tǒng)總的流量測量不確定度應低于zui大允許誤差。完善計量管理制度，制訂一項與SY/T6143—2004標準配套切合實際需要的孔板流量計操作使用和管理規(guī)程。其內(nèi)容包括，建立健全各級計量管理責任制度、標準計量器具周期送檢和維護制度、工作儀表檢驗、調(diào)校和維修制度、計量設備和計量儀表的資料檔案管理制度等。在認真貫徹執(zhí)行SY/T6143—2004標準及其有關的計量標準的同時，應有各項計量管理規(guī)程和管理制度與之配套，加強計量技術人員培訓，提高計量人員的技術管理水平。