摘(zhai)要：氣體超聲(shēng)流童計 與 孔(kǒng)闆流量計 在(zài)天然氣工業(yè)中應用的兩(liǎng)個主要方面(mian)流體流動特(tè)性對儀表🈚性(xing)能的影響和(hé)流童計的幹(gan)校問題進🏒行(háng)比較,分😘析它(tā)們存在的問(wen)題及發展前(qián)景。還對其🐕它(tā)儀表性能進(jìn)行了比較。
　　90年(nian)代以來,氣體(tǐ)超聲流量計(jì)在天然氣工(gōng)業中的成功(gōng)應用有突破(po)性的進展,一(yī)些天然氣流(liú)量計量的疑(yí)難問題可望(wàng)獲得解決。據(jù)稱由于正确(que)率高和維修(xiū)費用低,多聲(shēng)道氣體超聲(sheng)流🔞量計已被(bei)氣體工業界(jiè)接受。多聲道(dao)氣體超聲流(liú)量🏒計是氣體(tǐ)渦輪流量計(jì)後被氣體工(gong)業界接受的(de)最重要的流(liú)量計量器👌具(jù)。目前美國氣(qi)體協會(AGA)已經(jing)完成AGAeReortNo.9“用超聲(sheng)流量計測量(liang)氣體流量”草(cǎo)案閉。制定有(yǒu)關國家标準(zhǔn)與國際标準(zhǔn)的準備工作(zuò)正在進行。至(zhì)今,已有12個國(guo)家的政府機(jī)構批準氣體(ti)超聲流量計(ji)爲法定計量(liàng)器具🎯國外🈲天(tian)然氣工業在(zai)貿易輸送,氣(qì)體分配、調合(hé)☂️、控制和檢漏(lou)等方面都‼️廣(guang)泛采用它。對(duì)天然氣工業(yè)中傳統的🙇‍♀️計(ji)量儀表孔闆(pǎn)流量計與新(xin)型📐的氣體超(chao)聲流量計在(zai)儀表性能的(de)兩個主要方(fāng)面:流體流動(dong)特性對儀🐇表(biǎo)性能的影響(xiǎng)🚶和流量計的(de)幹校問題進(jin)行比較,分🔞析(xi)它們存在的(de)問題及發展(zhan)前景。
流體流(liú)動特性對儀(yí)表性能的影(ying)響
　　孔闆流量(liàng)計和氣體超(chao)聲流量計都(dou)是對流體流(liu)動😘特💁性變化(hua)敏感的儀表(biao),如何消除不(bu)正常流動特(te)性對儀表性(xing)👣能的影響一(yi)直是這二類(lèi)儀表的主題(tí)之一。現在可(ke)以看到兩者(zhe)⛹🏻‍♀️解決此問題(ti)的方法有很(hěn)大差别,在技(ji)術和經濟兩(liang)方面亦有不(bu)同有🏃🏻‍♂️效果,分(fèn)析它們的特(te)點,對今後流(liú)量計的發展(zhan)是有現實意(yi)義🔞的。
l孔闆流(liú)量計
　　本世紀(jì)20年代起人們(men)就對流體流(liu)動特性對儀(yi)表性能的影(yǐng)響進行過大(da)量的試驗研(yán)究,爲了準備(bèi)孔闆流量計(ji)AGA(美國氣體協(xie)會)報告,從1924年(nián)到1935年美國進(jìn)行過10年試驗(yàn)研究,研究項(xiàng)日多達14項,其(qi)中大部分是(shi)關于流體流(liu)動特性的影(yǐng)響試驗。幾乎(hū)同時歐洲亦(yì)進行同樣内(nei)容的孔闆流(liu)量計試驗研(yan)究,這🔞些都爲(wèi)制定節流式(shì)差壓👅流🏃🏻量計(ji)國際标準💞奠(dian)定了基礎。現(xiàn)在ISO5167中關于節(jiē)流裝置上下(xià)遊必☎️要的最(zuì)短直管段長(zhǎng)度的規定就(jiù)是這些試驗(yan)🔴研究的總結(jie),在各👈類🐕流量(liàng)計中它的數(shu)據是最具權(quán)威性的。但是(shì)亦應看到,這(zhe)☂️些規定不但(dàn)在内容上存(cún)在很大的争(zheng)議,而且在實(shí)際上也遠不(bú)能滿足現場(chang)的需要。ISO5167第一(yī)版(1980年)投票表(biǎo)決通過時,孔(kong)闆流量計資(zi)料主🔱要提供(gòng)國美國卻投(tóu)了反💔對票,其(qi)原🐉因之一就(jiù)是不同意标(biāo)準中關于直(zhi)管段長度的(de)規定。由此引(yin)發80年代歐洲(zhou)和美國對孔(kǒng)闆💛流🐪量計進(jìn)行10餘年的大(dà)規模研究⚽試(shi)驗,至今它已(yi)取得巨大的(de)成果,準備對(duì)ISO5167一1(1991年✏️)[,〕進行修(xiu)訂,修訂的主(zhǔ)要内容之一(yi)就是關于直(zhi)管段長度的(de)規定。
孔闆流(liú)量計爲解決(jue)此問題進行(háng)研究試驗有(yǒu)以下特點:
(l)确(que)定幾種典型(xíng)的阻流件類(lèi)型(ISO5167中爲7種),進(jìn)行各種口徑(jing),b值,雷💃🏻諾數範(fàn)圍的試驗,确(què)定在參比工(gōng)作條件下(充(chong)分發展管流(liú))所需的最短(duan)直管段長度(du)。
(2)爲縮短必要(yào)的直管段長(zhang)度,在上遊側(ce)安裝流動調(diao)整器(整流器(qì)),開發出幾種(zhong)類型的流動(dòng)調整器(ISO5167中爲(wèi)5種)。
(3)流動特性(xing)中關于非定(ding)常流(如脈動(dong)流)提出技術(shu)報🔴告(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動(dong)🈲流的抑制及(jí)誤差估計提(tí)供一些數據(ju)供使用參考(kǎo)。
盡管已經取(qǔ)得上述成果(guǒ),但是要應付(fù)現場的需要(yao)🍓仍感很不滿(mǎn)♈足:
(l)現場的阻(zǔ)流件類型遠(yuan)多于标準中(zhong)提供的,并且(qie)阻流件🔞之間(jian)的組合形式(shi)層出不窮,因(yīn)此現場總感(gǎn)覺有些問題(ti)🐪有待解決,例(lì)如天然氣輸(shu)配氣計量站(zhan)出現較普遍(bian)的旋風分離(lí)器和彙管在(zai)标🌈準中就沒(mei)有✉️規定。
(2)試驗(yan)研究需花費(fei)巨大的人力(li)物力,一種類(lèi)型阻流件需(xū)進行♌各種口(kǒu)徑的試驗,每(mei)種口徑有一(yi)系列的月值(zhí),還有雷諾數(shù)(流🈚量)範圍變(biàn)化的試驗,可(kě)以想象,這種(zhǒng)排🐉列組合方(fāng)式的🍓試驗工(gong)👄作量有🌈多麽(me)巨大,實在是(shi)不勝負擔的(de)一項工作。
(3)采(cǎi)用流動調整(zhěng)器以縮短直(zhí)管段長度不(bú)是一種好✍️辦(ban)法🔞,它會帶來(lai)附加壓損,流(liu)體中雜質易(yi)在其中堵塞(sāi),增🌈加現場使(shi)用維護的工(gong)作量。
(4)非定常(cháng)流的特例脈(mo)動流測量雖(suī)然有一個ISO技(ji)術報告(ISO/TR3313)可參(cān)考,但實際上(shang)孔闆流量計(jì)是不适合用(yong)于脈動流測(ce)量的,其☂️原因(yin)是信号(差壓(ya))與流量爲非(fei)線性關系(平(píng)方關系),引壓(ya)管線使信🧡号(hao)遲滞及畸變(bian),節流件對脈(mò)動波産生障(zhang)礙形成波的(de)反射等等。
2氣(qì)體超聲流量(liang)計
　　新型的氣(qì)體超聲流量(liàng)計采取多聲(sheng)道配置的方(fang)案來🌈對付🚩速(su)🤞度分布畸變(biàn)及旋轉流等(děng)不正常流動(dong)特☎️性的影響(xiǎng)。例如多聲道(dào)氣體超聲流(liú)量計,其工作(zuo)原理如圖l所(suo)示。流量計的(de)檢測件🛀是一(yī)個帶有5個超(chao)聲通道(聲道(dào))的圓形短🌈管(guǎn),這5個聲道是(shi)這樣組成的(de):采用2個具有(yǒu)二次反射的(de)聲道和3個單(dan)反射聲道,它(tā)們組成爲一(yi)個超聲通道(dao)網絡,對整個(ge)管道橫截面(miàn)積都能進行(háng)分析,在分析(xī)速度分布畸(jī)變與旋轉流(liú)對測量值影(ying)響的基礎上(shang)制定儀表信(xin)号處🥰理方案(an)。這😄種解決不(bú)😄正常流動特(tè)性的方🧑🏽‍🤝‍🧑🏻法有(you)以下特點:
(l)氣(qì)體超聲流量(liang)計檢測件是(shì)一段無阻礙(ai)物的圓管,與(yu)孔闆流量計(ji)中有節流件(jiàn)阻礙相比對(duì)流動特性👌的(de)影響較易分(fèn)析。由于檢📱測(cè)件形狀的特(tè)殊性,而超聲(sheng)流量計的檢(jiǎn)🌂測件是😘一段(duan)圓管,在流體(tǐ)力學專業資(zi)料中可以找(zhao)到許多參考(kao)資料,因此二(er)♈者處理此問(wen)題所依靠的(de)背景資料有(you)很大差别。
(2)氣(qi)體超聲流量(liàng)計處理此問(wèn)題是采取分(fen)析對象,制定(ding)檢測策略的(de)方法,孔闆流(liú)量計則進行(háng)一個個阻流(liú)件試驗,無論(lun)技術🚶上或經(jing)濟上其效率(lǜ)與效果都很(hěn)不相同,氣體(ti)超聲流🈲量計(ji)的優點是顯(xiǎn)然的。
(3)目前發(fā)展多聲道檢(jiǎn)測件隻能在(zai)較大口徑(DN150以(yǐ)上)應💁用,今😍後(hòu)中小👌口徑如(ru)何解決相信(xìn)氣體超聲流(liú)量計🌂是會找(zhao)到解決辦法(fa)的。

　　流量計(ji)的幹校一一(yī)儀表系數的(de)偏離問題對(dui)于大口徑(DN200以(yǐ)上)流量測量(liang)來說,流量計(jì)能否實行幹(gan)校(無需實流(liú)校驗)是推廣(guǎng)應用的一個(gè)關鍵因素,某(mou)些情況下甚(shen)📞至是用戶采(cai)用與否的決(jué)定性因素。孔(kǒng)闆流量計借(jiè)助國際上長(zhǎng)期的試驗研(yan)究及實踐經(jīng)驗的總結,早(zǎo)在30年代就開(kāi)始實行儀表(biao)的幹🙇🏻校,這是(shi)它獲🏃🏻得廣泛(fàn)應用的重要(yao)原因。氣體超(chao)聲流量計若(ruò)要在天然氣(qi)工業輸配氣(qì)計量站得到(dào)廣泛應用,幹(gan)校可能♻️是一(yī)個必要條件(jian),一般來說輸(shū)配氣💛計🔞量站(zhan)管線都是中(zhong)大口徑的。
　　幹(gàn)校是儀表投(tou)用前确定流(liu)量計儀表系(xi)數(或流出系(xì)數)的一種方(fāng)法,但是更重(zhòng)要的是幹校(xiao)确定的儀🍓表(biǎo)系數在現場(chang)是否适用以(yǐ)及能否保持(chí)長期穩定。
l孔(kong)闆流量計
　　孔(kong)闆流量計幹(gan)校後在現場(chang)使用時其流(liu)出系數可能(neng)偏💰離标♻️準值(zhi)的影響因素(sù)如表l所示。

由(you)表可見:
(l)結構(gòu)的偏離有些(xiē)是制造時産(chǎn)生的,有些則(ze)是在長期使(shǐ)用🐕中由于流(liu)體介質腐蝕(shi)、磨損、沽污等(děng)造成的,後者(zhe)是更難解決(jue)的問題。
(2)管線(xian)布置的偏離(li)是普遍性的(de),現場不能滿(man)足直管段長(zhang)度要求配置(zhi)流動調整器(qi)不是一個好(hǎo)辦法,前面已(yǐ)談過,除此以(yǐ)外,隻有增大(dà)測量誤差了(le)。
(3)使用的偏離(li),現場情況千(qiān)變萬化,很難(nán)維持實驗室(shì)的參比工作(zuò)條件,這是現(xiàn)實情況。對于(yú)天然氣工業(yè)在原料氣測(cè)量領域🔱(氣井(jing)到處理廠之(zhī)間的天然氣(qì)),這一問題更(geng)爲突出,孔闆(pǎn)流量計在此(cǐ)領域基本上(shàng)是不适用的(de)。
　　我國制定的(de)天然氣行業(ye)标準SY/T6143一1996《天然(ran)氣流量的标(biāo)👣準孔⭕闆計量(liang)方法)中特别(bie)增加一個附(fu)錄(節流裝置(zhì)在使用中出(chu)現部分偏離(lí)标準規定的(de)處理》說明天(tiān)然氣從😍地層(céng)中開采出🈲來(lai),雖經分離,除(chú)塵和過濾,因(yin)其所含成份(fen)十分複雜,從(cong)單井計量,集(ji)氣😍計量到配(pei)氣計量,氣質(zhì)組分各不相(xiang)同,所以節流(liu)🙇🏻裝置在作用(yong)中其沖刷、腐(fu)蝕亦各不相(xiang)同,特⁉️别對孔(kong)闆直角人口(kǒu)邊緣和測量(liàng)管内壁的沖(chong)刷腐蝕尤❓爲(wei)嚴重,因此在(zài)實際應用中(zhong)采取在流出(chū)系數中增加(jiā)二個修正系(xì)數,即孔闆人(rén)口尖銳度修(xiu)正系數和管(guan)壁粗糙度修(xiū)💚正系數。這種(zhǒng)解決辦法實(shi)在是不得已(yǐ)而♻️爲之,其效(xiào)果并不理想(xiang)。
　　孔闆流量計(jì)易于偏離标(biāo)準的原因應(ying)該從儀表本(běn)身的工作原(yuán)理與結構特(tè)點去尋找。由(yóu)于儀表特性(xing)取決于節流(liú)裝置的幾何(hé)形狀及尺寸(cùn),現場的長期(qi)應用難免不(bu)産生磨損、腐(fu)蝕和積垢等(děng)👨‍❤️‍👨使幾何形狀(zhuàng)及尺寸改變(bian)的情況,引壓(ya)管線是孔闆(pǎn)流量計易發(fa)生故障的部(bu)件,據統計由(yóu)于引壓管線(xian)堵塞、洩漏、凍(dong)結等使信号(hao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼不正常約占(zhàn)儀表故障率(lü)的70%,其他如不(bú)👈正常流動🔱特(te)性引起的測(cè)量誤差隻能(neng)采取一些消(xiāo)👅極的辦法解(jie)決。
氣體超聲(shēng)流量計
　　氣體(ti)超聲流量計(jì)目前尚未普(pǔ)遍實行幹校(xiao),但從儀表工(gōng)作原🧡理及結(jie)構上看實行(háng)幹校是可能(néng)的困,隻☁️是目(mu)前成熟程度(du)(幹✨樣的☀️必要(yào)條件)尚不能(néng)與孔闆流量(liang)計相比,隻🥰要(yao)加強理論探(tan)讨積累實踐(jian)經驗,實行幹(gàn)校隻是時間(jian)上的問題。
以(yi)下我們來探(tàn)讨一下幹校(xiào)後會不會出(chu)現與孔闆流(liú)量計一樣的(de)問題,這是更(gèng)爲重要的方(fāng)面。
氣體超聲(sheng)流量計的流(liú)量方程。

式中(zhong)
qv—體積流量;
L—超(chao)聲波在流體(ti)中的傳播路(lu)徑長度(聲道(dào)長度);
A—管道橫(héng)截面面積;
Ψ—超(chāo)聲波傳播方(fang)向與流體流(liú)向之間的夾(jiá)角(聲道角);
tab—超(chāo)聲波從換能(neng)器a到換能器(qì)b的傳播時間(jian);
t、—超聲波從換(huan)能器b到換能(neng)器a的傳播時(shí)間;
K—儀表系數(shù)。
　　由式(l)可見,體(ti)積流量的測(ce)量準确度決(jué)定于3部分:時(shi)間差,結構參(cān)⁉️數L,A, Ψ等的測量(liang)誤差和儀表(biao)系數K的準确(que)度。
(l)與孔闆流(liu)量計相比較(jiào),氣體超聲流(liú)量計沒有如(rú)節流裝✌️置幾(ji)何形狀及尺(chi)寸變化影響(xiang)儀表特性的(de)問🔴題,聲道長(zhǎng)🤟度,聲🔞道角及(jí)管道橫截面(mian)面積是比較(jiào)恒定的參數(shu),亦沒有引壓(yā)管線之類易(yi)引起故障的(de)部件,根據現(xiàn)☁️場條件确定(ding)儀表系數及(jí)維持長期穩(wen)定是比較可(ke)能✍️的。
(2)解決速(sù)度分布畸變(biàn)與旋轉流的(de)方法與孔闆(pan)流量計不♈同(tong)🐅,沒有阻流件(jiàn)對号人坐的(de)問題,亦不采(cǎi)用會引起副(fù)作㊙️用的流動(dòng)調整🍉器,它是(shi)從聲道設置(zhì)方案人手,更(gèng)着重于軟測(ce)量方法解決(jué)問題,便于應(ying)付現場複雜(zá)多變的條件(jian)👣。
(3)對非定常流(liú)測量,氣體超(chao)聲流量計是(shi)完全适合的(de),其原因由💘儀(yi)表工作原理(li)與結構所決(jue)定:①信号與流(liú)量(流速)爲線(xiàn)性關系;②檢測(cè)件内無阻礙(ai)物;③非接觸測(cè)量;④測量采用(yong)高速數字🙇🏻信(xin)号處理技術(shù)。這些特點使(shi)它可以快速(sù)響應流體流(liu)動的動态變(bian)化。
其他儀表(biao)性能的比較(jiào)
1範圍度
　　孔闆(pan)流量計範圍(wéi)度窄(約爲3:1一(yī)4:1),近年來雖從(cóng)多方面采取(qu)措施拓寬其(qí)範圍度,如采(cai)用寬量程差(cha)壓變送⭐器,多(duō)台差壓變送(song)器并聯使用(yòng),采用可換孔(kǒng)闆節流裝置(zhi)以及智能流(liu)量顯示儀等(děng)等,但與☂️氣體(ti)超聲流量計(ji)相比未免遜(xùn)色🐉。氣體超聲(shēng)流量計範圍(wéi)度可達40:1(DN150)一160:l(DN75O),在(zai)實際使❤️用中(zhong)流量計可測(cè)流量(流速)下(xià)限值是🔞一個(ge)更重要的指(zhǐ)标,我國大口(kou)🌏徑氣體管道(dao)系統普🐪遍運(yun)行低流速範(fan)圍(流速上限(xian)值僅5m/s,或更低(di)),使得流量計(jì)選型困難。氣(qì)體超聲流量(liàng)計下限流🥵速(sù)偏差如表2所(suǒ)示。
　　如管徑爲(wèi)DN125時,測量誤差(chà)爲1%,則下限流(liú)速可達:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管徑(jìng)爲DN1600時,測量誤(wu)差爲l%,則下限(xiàn)流速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.

　　據(ju)資料介紹,在(zài)天然氣輸配(pèi)氣計量站中(zhong),一座用孔🏃闆(pan)流量計做爲(wèi)計量儀表的(de)計量站,爲滿(mǎn)足範圍度的(de)要求,需設置(zhi)4條DN400mm管線,如采(cǎi)用氣體超聲(sheng)流量計則隻(zhī)需設置2條DN600mm管(guan)線或一條ND700mm管(guǎn)線,這樣采用(yòng)氣體超聲流(liu)量計可節省(shěng)一次性投資(zī)10一40%,節省占地(dì)空間50一75%,并且(qie)精度更高,工(gong)作更穩定,維(wei)護量更少。
2壓(ya)力損失
　　孔闆(pǎn)流量計以壓(yā)損大著稱,而(er)氣體超聲流(liu)量計恰是無(wú)壓損☂️(僅‼️相當(dāng)于一段管道(dào))儀表,對于大(da)口徑,這🌈個特(tè)點很重要,它(ta)可以節🤞約能(néng)耗或适用于(yú)低靜壓氣體(ti)管道系統的(de)測量。
3儀表造(zao)價
　　對于孔闆(pǎn)流量計随着(zhe)口徑增大,檢(jian)測件造價及(jí)安裝成💰本大(dà)幅度提高,而(ér)氣體超聲流(liu)量計的檢測(ce)件制造成本(ben)與口徑大小(xiǎo)的關系僅相(xiàng)當于管道價(jià)值😘的增加,因(yin)此它是一種(zhong)特别适用于(yu)大口徑的儀(yi)表🈲。
4使用維護(hu)
　　孔闆流量計(jì)由3部分組成(cheng):節流裝置、 差(cha)壓變送器 和(he)流量顯示儀(yí)。在現場惡劣(liè)工作條件作(zuò)用下節流裝(zhuang)置🐅與差壓變(bian)送器及其連(lián)接部分引壓(ya)管線是使♍用(yong)維🌈護的重點(dian),天然🥰氣輸配(pèi)氣計量站爲(wei)經常檢查孔(kong)闆的質量,常(chang)增設旁路管(guan)或采用價格(ge)昂貴的可換(huan)孔闆節流裝(zhuang)置,這些都使(shi)儀表及其輔(fu)😄助設備造價(jià)增加,也增加(jiā)了維護工作(zuò)量。氣體超聲(shēng)流量計檢🔴測(cè)件比較牢固(gu),維護工作量(liang)少,甚至可做(zuò)成插人式探(tan)頭,在不斷流(liu)情況下取出(chū)維修。
　　氣體超(chāo)聲流量計與(yu)孔闆流量計(jì)在天然氣工(gong)業中的應用(yòng)🥰進行一些比(bi)較,由上述可(kě)見,在大口徑(jing)測量方面,氣(qi)體💚超聲流量(liang)計無🚶疑更爲(wèi)優越。孔闆流(liú)量計畢竟已(yǐ)經發展數十(shi)年至上百年(nián)曆史,全世界(jie)流量💃🏻工作者(zhě)都對它進行(hang)過巨大的理(li)論與實踐工(gong)作,取👨‍❤️‍👨得極爲(wèi)豐富的經驗(yan),相比之下,氣(qì)體超㊙️聲流量(liang)計僅剛嶄露(lu)頭角,尚需通(tong)過實踐走向(xiàng)成熟,至于中(zhōng)小口徑方面(miàn),需作更多的(de)工作。

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