摘 要 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計是一種非常成熟的流量計，在多年的試驗和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，以其耐高壓，安裝使用維護(hù)方便等諸多優(yōu)點在我國天然氣計量中占有主導(dǎo)地位。本文就孔板流量計的在應(yīng)用中誤差來源加以識別，分析了誤差產(chǎn)生原因，并針對現(xiàn)場實際情況，提出了控制措施。
 
  天然氣流量計量已經(jīng)成為天然氣工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要組成部分 ，天然氣流量計量儀表品種很多 ，其中孔板流量計自 20 世紀(jì) 70 年代引入我國使用 ，逐步在天然氣流量計量中獲得了廣泛應(yīng)用 ，到目前為止 ，孔板流量計在我國天然氣計量中仍然占有主導(dǎo)地位。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計***主要的優(yōu)點是耐高壓 ，安裝使用維護(hù)方便 ，對介質(zhì)潔凈程度的要求也不高 ，可與電子儀表和機械儀表單獨配套 ，在多年的試驗和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗 ，是一種非常成熟的流量計。但是 ，由于組成測量系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)較多 ，影響孔板計量準(zhǔn)確度的因素很多 ，現(xiàn)就孔板流量計的誤差來源加以分析 ，并針對誤差來源 ，在實際應(yīng)用中采取相應(yīng)措施 ，以提高計量準(zhǔn)確度。
 
1、孔板流量計的組成和原理：
1.1、孔板流量計的組成：
 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計由截流裝置 ，信號引線和二次儀表系統(tǒng)組成。其中節(jié)流裝置是使管道中流體產(chǎn)生靜壓力差的裝置 ，主要由標(biāo)準(zhǔn)孔板 ，取壓裝置和上下游直管段組成。
 
1.2、基本原理：
 充滿管道的流體 ，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時 ，如圖所示 ，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮 ，因而流速增加 ，靜壓力降低 ，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣依據(jù)壓差來衡量流量的大小。如圖 1 所示。

2 孔板流量計的計算方法和參數(shù)變量分析
 
這種測量方法是以流動連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)的。
 
2.1 流量計算公式
 
根據(jù)《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》（SY/6143-2004）給出的天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量計算實用公式 ：
 
q_vn = A_vn CEd ² F_C ε F_Z F_T P₁ ?p
 
式中 ：
 
Q_vn 為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量 ； A_vn 為體積流量計算系數(shù) ； C 為流出系數(shù) ； E 為漸進(jìn)速度系數(shù) ；
 
d 為孔板開孔直徑 ； F_G 為相對密度系數(shù) ； ε 為可膨脹系數(shù) ；
F_T 為超壓縮系數(shù) ； F_Z 為流動溫度系數(shù) ；
 
P₁ 為孔板上游側(cè)取壓孔氣流靜壓 ； △ P 為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓。
 
2.2 由參數(shù)的確定分析流量測量的誤差源
 
1）Avn 確定方法 ：視采用的計量單位而定
 
秒體積流量（m³/s）A_vn ：=3.1795×10-6 ；
 
小時體積流量（m³/h）A_vn ：=0.011446 ；
 
日體積流量（m³/d）A_vn ：=0.27471。
 
2）C 確定方法 ：里德 – 哈利斯 / 加拉赫（Reader-Harris/ Gallagher）公式
 
C=0.5961+0.0261β2-0.216β8+0.000521（106β/ReD）0.7+（0.0188+0.0063A）β3.5（106/ReD）0.3+（0.043+0.080e-10L1-0.123e^-7L1）（1-0.11A）β⁴/（1-β⁴）-0.031（M'_2- 0.8 M '¹₂^.1 ）β^1.3
 
在 D ＜ 71.12mm 情 況 下 ，上 述 公 式 應(yīng) 加 上 下 列 數(shù) 項
 
+0.011（0.75-β）（2.8-D/25.4）（D:mm）
 
式中 ：β=d/D——直徑比 ； ReD 與 D 有關(guān)的雷諾數(shù) ；
A=（19000β/ReD）0.8
 
M'2=2L'2/（1-β）
 
L₁=l₁/D——孔板上游端面到上游取壓口的距離除以管道直徑的商 ；
 
L'₂=l'₂/D——孔板下游端面到下游取壓口的距離除以管道直徑的商（符號 L'₂ 表示自孔板下游端面為起始位置的有關(guān)下游間距 ，而 L2 表示自孔板上游端面為起始位置的有關(guān)下游間距）；
 
D—— mm ；
 
對于角接取壓法 L₁=L'₂=0 ；

對于 D 和 D/2 取壓法

L1=1，L2=0.47 ；

降低。

Theoretical

Research

理論研究

對于法蘭取壓法

L1=L'2=25.4/D

3 天然氣計量誤差產(chǎn)生的原因分析

3）ε 的確定方法

3.1 統(tǒng)計量的誤差分析

ε=1-（0.351+0.256β4+0.93β8）[1-（P

/P

）κ]

2

1

（1）涉及到的中間變量

1）流出系數(shù) C

κ 為等熵指數(shù) ，等熵指數(shù)是壓力和溫度的函數(shù) ，必要時采用

對于流出系數(shù) C 的研究 ，人們一直沒有停止過 ，通過豐富和

κ=1.3 ；

充分的試驗數(shù)據(jù) ，人們對影響流出系數(shù)的因素有了許多的認(rèn)識 ，

P

2

為孔板下游側(cè)靜壓 P

= P

– △ P。

影響流出系數(shù)偏離的原因 [2] ：

2

1

（2）涉及到的獨立變量

（1）儀器本身產(chǎn)生的誤差

P1 為孔板上游側(cè)靜壓 ；

①孔板入口直角銳利度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 ；②管徑尺寸與計算不

△ P 為差壓 ，計量儀表的實測值。

符 ；③孔板厚度誤差 ；④節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏心 ；⑤孔板上

4）d 的確定方法

游端面平度 ；⑥環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心 ；⑦取壓位置 ；⑧焊接、

d=d20[1+λd（t1-t20）]

焊縫突出 ；⑨取壓孔加工不規(guī)范或堵塞 ；⑩節(jié)流件不同軸度。

（1）涉及到的中間變量

（2）安裝誤差

λd 孔板材料在 20℃ ~t1 范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù) ，根據(jù)孔板材料

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

為確定值

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。

（2）涉及到的獨立變量

（3）使用誤差

d20 為孔板開孔在 20℃下的實測值

①孔板彎曲 ( 變形 ) ；②上游測量管沉積臟物 ；③上游端面沉

t1 為天然氣流過節(jié)流裝置時的實測氣流溫度。

積臟物 ；④孔板入口直角邊緣變鈍、破損 ；⑤雷諾數(shù)范圍不符合

5）E 確定方法

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 ；⑥管道粗糙度影響（管道粗糙度增加、管道粗糙度變

E

=

1

化）。

1− β 4

2）可膨脹性系數(shù) ε

（1）涉及到的中間變量

可膨脹性系數(shù) ε 是對流體通過節(jié)流件時密度發(fā)生變化而引起

β=d/D

的流出系數(shù)變化的修正 ，它的誤差由兩部分組成 ：其一為常用流

（2）涉及到的獨立變量

量下 ε 的誤差 ，即標(biāo)準(zhǔn)確定值的誤差 ；其二為由于流量變化 ε

d20 為孔板開孔在 20℃下的實測值 ；

值將隨之波動帶來的誤差。一般在低靜壓高差壓情況 ，ε 值有不

D20 為管道在 20℃下的實測值。

可忽略的誤差。當(dāng)△ P/P ≤ 0.04 時 ，ε 的誤差可忽略不計。

6）FG 的確定方法

3.2 實測量誤差產(chǎn)生的原因

FG

=

1

1）d

、D

誤差產(chǎn)生的原因 [1]

Gr

20

20

（1）涉及到的中間變量

對于 δd/d 及 δD/D 的數(shù)據(jù) ，應(yīng)是一種在嚴(yán)格的檢定條件下

（人員、設(shè)備、方法、環(huán)境等符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），認(rèn)真按照有關(guān)檢定

Gr——氣體的真實相對密度 ；

規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求 ，對新制造的或使用中的孔板及測量管進(jìn)

（2）涉及到的獨立變量

行檢定時所允許的測量不確定度 ，即 δd20/d20 ≤ ±0.07％、δD20/

天然氣的摩爾組分值

D20 ≤ ±0.40％（下標(biāo) 20 表示檢定狀態(tài)）。但由于要考慮現(xiàn)場的實

7）FT 的確定方法

際工況條件 ，因此這種檢定要求忽略了如下一些影響因素 ：

FT

=

293.15

（1）未對 d20 及 D20 進(jìn)行實際工況條件下的溫度修正 ；

T1

（1）涉及到的中間變量

（2）現(xiàn)場配備的長度計量器具（如游標(biāo)卡尺）往往不能按期

送檢 ，現(xiàn)場計量人員也未進(jìn)行長度計量測試方面的專業(yè)培訓(xùn) ；

T1= t1+273.15

（3）對在用中的測量管 ，幾乎都未考慮腐蝕、變形及積塵附

（2）涉及到的獨立變量

著等對其實際內(nèi)徑產(chǎn)生的變化 ；

t1­-_ 氣體的實際測量溫度

（4）由于測量管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性 ，部分生產(chǎn)廠家目前只選

8）FZ 的確定方法

擇了分別距孔板上、下游端面 0D（或 0.5D）的兩個截面進(jìn)行內(nèi)徑

FZ

=

Zn

測量 ，并將平均值刻在銘牌上供用戶參考 ，一般的標(biāo)準(zhǔn)都要求至

Z1

少測量 4 個截面。

式中 ：

這些因素導(dǎo)致了實際工況條件下孔板孔徑及測量管內(nèi)徑的測

Zn 為然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子 ，

量不確定度往往會超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍 ，即 δd/d ＞ ±0.07％、

Z1 為然氣在工作狀態(tài)下的壓縮因子

δD/D ＞ ±0.40％。

涉及到的中間變量 ：

2）P1、△ P、t1 誤差產(chǎn)生的原因

Zn、Z1 這兩個變量都可以通過計算和測量兩種方法來確定 ，

這幾個變量 ，都屬于二次儀表測量數(shù)據(jù) ，根據(jù)這些參數(shù)的產(chǎn)

可以遵照標(biāo)準(zhǔn) GB/T17747.2 天然氣在工作狀態(tài)下的壓縮因子《天

生和測量過程 ，誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面 ：

然氣壓縮因子的計算 用摩爾組成進(jìn)行計算》和標(biāo)準(zhǔn) GB/T17747.3

（1）數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

《天然氣壓縮因子的計算 用物性值計算》來計算。壓縮因子和密

對于差壓和壓力信號 ，正確的取壓孔及引壓管線的制造、安

度互為函數(shù)關(guān)系 ，一般只需測定一個。

裝及使用是保證獲得真實數(shù)據(jù)的關(guān)鍵 ，這些影響因素很多是難以

由以上參數(shù)的確定方法可以看出 ，在參與計算的參數(shù)中 ，有

定量或定性確定的 ，只有加強制造及安裝的規(guī)范化工作才能達(dá)到

些是無法實測的 ，稱為統(tǒng)計量 ，例如流出系數(shù) C，可膨脹性系數(shù) ε，

目的。對于溫度數(shù)據(jù)而言 ，是否能夠真實地反映被測流體內(nèi)部的

其他的參數(shù)都可以通過測量單獨變量計算得出 ，這些單獨變量包

溫度是數(shù)據(jù)真實的關(guān)鍵 ，主要是感溫元件與氣流的接觸是否良好 ，

括測量管內(nèi)徑 d20，孔板開孔直徑 D20，差壓△ P，天然氣流動的熱

包括感溫頭的安裝位置、插入深度、方向以及表面的清潔程度等

力學(xué)溫度 t1，天然氣流動時上游測的壓力 P1，相對密度 ，天然氣壓

[1]。

縮因子。下面就針對這些參數(shù)和變量的性質(zhì) ，分析其誤差產(chǎn)生的

（2）數(shù)據(jù)的測量與傳遞

原因 ，在實際應(yīng)用中 ，采取相應(yīng)的措施 ，使天然氣計量誤差得以

儀表選型是否合適 ，安裝位置是否合理 ，運行是否正常都是

數(shù)據(jù)測量和傳遞過程中誤差產(chǎn)生的原因。3）相對密度 ，天然氣壓縮因子誤差產(chǎn)生的原因
 
相對密度 ，天然氣壓縮因子都屬于氣體的物性參數(shù) ，天然氣組成分析數(shù)據(jù)是用于物性參數(shù)計算 ，并通過物性參數(shù)間接影響流量計算結(jié)果。天然氣物性參數(shù)測量的準(zhǔn)確度 ，取決于天然氣取樣技術(shù)。天然氣取樣技術(shù)是關(guān)系到所取樣品是否有代表性總是不但影響到天然氣組成分析結(jié)果 ，也影響到物性參數(shù)的測量結(jié)果。取樣技術(shù)由三個因素組成 ，即取樣點分布、取樣方式和取樣周期。
 
（1）取樣點分布取樣點的分布決定了所取的天然氣樣品是否有代表性。
 
①對于多氣源的輸配氣計量站 ，可在氣體入口下游與流量計上游之間能使天然氣充分混合的匯管處設(shè)置取樣點 ；②對于單一氣源的輸氣計量站 ，可在氣體入口處設(shè)置取樣點 ；③對于流量大的用戶 ，如果用戶需要 ，可在流量計的上游或下游不影響流量測量準(zhǔn)確度的管道或匯管處設(shè)置取樣點。
 
（2）取樣方式取樣方式有邊連續(xù)取樣、累積取樣和單點取樣 3 種。連續(xù)取樣是與在線分析相結(jié)合的。累積取樣要求有控制流入取樣鋼瓶的流量控制裝置 ，注入鋼瓶的流量與鋼瓶的容積、氣源壓力、計量點流量大小和收集樣品的周期有關(guān) ，技術(shù)比較復(fù)雜。單點取樣是***簡單的取樣方式 ，在國內(nèi)被廣泛地應(yīng)用。
 
（3）取樣周期對于連續(xù)取樣方式 ，取樣周期取決于在線分析周期 ，在累積取樣方式中 ，大多是一周收集一次。在單點取樣方式中 ，國外大多是一天取一次 ，國內(nèi)一般是一個月或一個季度取一次。