配氣工計量知識講座

1、配氣工計量知識講座第二講 孔板流量計（上）一、 概述孔板流量計是差壓式流量計類中的一種。人類通過節(jié)流的方法來測量和控制流量可以追溯到遙遠(yuǎn)的古代，例如古羅馬的民用供水，中國古代的銅壺滴漏計時（用知道流量的方法來間接知道時間）。公元十八世紀(jì)國際知名物理學(xué)家卡斯特里、皮托、托里折利、伯努利等人對其進(jìn)行了大量的理論研究奠定了利用測量差壓進(jìn)而測量流量的理論基礎(chǔ)。上世紀(jì)二十年代以來，美國和毆州又對其進(jìn)行了大規(guī)模的實驗研究，使得以孔板、噴嘴、文丘里管作為節(jié)流件的流量測量裝置得以逐步標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化生產(chǎn)制造，而廣泛應(yīng)用于各種流量計量場合，特別是天然氣計量場合。1980年，終于產(chǎn)生了它的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167。節(jié)

2、流件孔板的種類有很多，分別適用于不同的計量條件。例如有同心圓孔板、圓缺孔板、偏心孔板、錐形入口孔板、雙斜孔板等。其中標(biāo)準(zhǔn)化程度最高，實驗最成熟的數(shù)同心圓銳孔板，稱為標(biāo)準(zhǔn)孔板。孔板流量計是一套組合測量系統(tǒng)，其中孔板節(jié)流裝置（如常用的孔板伐）為差壓發(fā)生裝置，稱為一次部份；二次部份為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計、變遞器等差壓檢測和流量積算等儀表。這相當(dāng)于用桿秤稱重，其一次部份為秤鉈，二次部份為秤桿。僅有秤鉈或秤桿是不能用來秤量的。由于非標(biāo)準(zhǔn)的孔板流量計使用較少，故本講座主要講解標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，即以同心圓銳孔板作為節(jié)流元件的孔板流量計，我公司現(xiàn)使用的均屬于此類。二、 測量原理充滿管道的流體（例如天

3、然氣），當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時（例如標(biāo)準(zhǔn)孔板），流體流速在孔板開孔處將形成局部收縮，因而流速加快，則其靜壓力降低。于是在孔板前后便產(chǎn)生了壓差。理論和實驗證明，流體流量越大，產(chǎn)生的差壓就越大，這樣就可以通過檢測差壓的大小來衡量流量的大小。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（能量守衡定律）為基礎(chǔ)的。差壓的大小不僅和流量還與其它許多因素有關(guān)，例如流體的物理性質(zhì)不同，其所產(chǎn)生的差壓也是不同的。按照上述原理進(jìn)行流體流量測量，其結(jié)果可按下面兩式計算：q.式中：qm質(zhì)量流量，（千克/秒）qv體積流量，m3/s(立方米/秒)C流出系數(shù)（孔板開孔直徑除以測量管內(nèi)徑）d工作條件下孔板孔徑

4、，m(米)D工作條件下上游管道內(nèi)徑，m（千克/立方米）由上式可見，流量隨著C、d、六個參數(shù)的變化而變化。這六個參數(shù)中d（孔板開孔直徑）、（密度）、（孔板開孔直徑與管道直徑之比）、為測量值；C與不能通過實測得到，可通過相應(yīng)軟件計算得出，其實際值與計算得出的值（標(biāo)準(zhǔn)值）之差即為測量系統(tǒng)的誤差來源之一。三、 孔板流量計的組成如前所述，孔板流量計為組合測量系統(tǒng)，分為一次部份和二次部份。1、一次部份。一次部份實為差壓發(fā)生裝置，它的功能就是產(chǎn)生符合要求的差壓（在節(jié)流件孔板兩側(cè)產(chǎn)生的壓力差）。它的組成及在管路中的安裝見下圖。上圖中,l1和l2分別為孔板前后等直徑的直管段部份。其中上游側(cè)10D長度（D為直管段

5、的內(nèi)徑）和下游側(cè)4D長度應(yīng)采用機(jī)械加工使其達(dá)到光滑管要求，與孔板及夾持器（對孔板伐而言指伐體及相關(guān)元件）成套供貨。10D與4D長度的直管段分別稱為前后測量管。其余長度的直管段可選用新軋制的等徑無縫鋼管與測量管連接，其要求為用肉眼目測管段應(yīng)是直的和圓的，但其與測量管連接處不得有任何異物（如焊瘤、墊片等）突入管腔，以避免對流體流態(tài)的擾動。l1、l2內(nèi)除測量管外的直管段與測量管的錯邊量不應(yīng)大于測量管平均內(nèi)徑的2%為合乎要求。以上為一次裝置現(xiàn)場安裝中最基本也是極為重要的技術(shù)要求。l1、l2長度由設(shè)計給定。圖中的所謂阻流件是指流程中必需的閥門、彎頭、三通、大小頭等管路附件?？装辶髁坑嫷娜悍绞接卸喾N，最

6、常用的有角接取壓和法蘭取壓兩種。所謂取壓方式的不同是指取壓孔中心至孔板上、下游端面的距離不同。如角接取壓則此距離為零；法蘭取壓其距離為25.40.5mm(D小于150mm)或25. 41mm(D大于或等于150mm至1000mm)。取壓方式不同，其實用流量計算公式是不同的。我們常用的高級孔板伐為法蘭取壓。2、二次部份?？装辶髁坑嫷亩尾糠菥褪前压?jié)流裝置（孔板伐）產(chǎn)生的差壓量值實時地檢測出來，為最終的流量計算創(chuàng)造必要條件。因為節(jié)流裝置只是產(chǎn)生了差壓，而確定差壓的大小準(zhǔn)確值則需要二次部份來完成。傳統(tǒng)的孔板流量計一次部份和二次部份是分開供貨的。現(xiàn)也有供貨廠商將其集成于一體。最早使用于差壓測量的是U型

7、管水銀計，不僅準(zhǔn)確度低，且水銀蒸汽泄露易使值班工人汞中毒。后多用機(jī)械式雙玻紋差壓計，采用開方不等分圓形記錄卡片每24小時一張連續(xù)記錄差壓與靜壓力，后使用求積儀求得平均差壓格數(shù)再代入有關(guān)公式計算得出其日流量。雙玻紋差壓計的準(zhǔn)確度為1級。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，孔板流量計測量系統(tǒng)中的二次部份和積算部份已逐步為變遞器（見圖二）與流量計算機(jī)所代替。常用的差壓變送器的原理是差壓作用于變送器的膜合上，膜盒受力產(chǎn)生的位移改變電容量，并由電路輸出相應(yīng)的電流信號（420mA），再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后送入流量計算機(jī)進(jìn)行處理。此類變送器在國內(nèi)市場上的品牌均性能可靠，準(zhǔn)確度可達(dá)0.1，甚至0.075。由于使用了電容

8、技術(shù)，使變送器不受溫度、靜壓、震動和電壓的影響。（圖二）使用變送器加流量計算機(jī)作為二部份有如下優(yōu)點： 大大減輕了值班人員的工作強(qiáng)度，且可完全避免人工操作可能產(chǎn)生的粗大誤差； 整個測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度有所提高； 由于變送器可以在露天工作，則其與節(jié)流裝置連接的導(dǎo)壓管不必再引入儀表室，使導(dǎo)壓管長度大為減少，儀表室防火等級要求相應(yīng)降低。（如可能安裝空調(diào)） 由于流量計算機(jī)有自動補(bǔ)償功能，對于更換孔板或清洗孔板短時間無差壓信號的情況進(jìn)行補(bǔ)償，保證了系統(tǒng)的連續(xù)性。 能記錄和保存計量參數(shù)和計量歷史事件，便于查詢和計量事故分析。 有自動報警和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，極大地方便了計量管理工作。二次部份的安裝應(yīng)注意以下問題： 差

9、壓訊號截斷伐應(yīng)選用直通式快速截斷伐門； 導(dǎo)壓短管內(nèi)徑不得大于訊號伐通流內(nèi)徑； 導(dǎo)壓管彎曲應(yīng)圓滑，彎曲半徑不應(yīng)小于導(dǎo)壓管外徑的5倍； 導(dǎo)壓管對接時，不應(yīng)有焊瘤突入和內(nèi)徑錯位； 各接頭處不得有任何泄漏； 三伐組（平衡伐）應(yīng)能關(guān)閉嚴(yán)實（宜先試驗再安裝）。四、天然氣流量實用計算及流量計算機(jī)根據(jù)我國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T61432004用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量，天然氣體積流量計算的實用公式為：qvn=AvnCEd2FGFzFT式中：qvn天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下（標(biāo)態(tài)）的體積流量；Avn體積流量計量系數(shù)，其取值要視所采用的計量單位而定，秒流量、小時流量和天流量其值各不相同；C流出系數(shù)，其值按另行

10、公式計算；E漸近速度系數(shù)，E=()-1d孔板開孔直徑 mm;FG相對密度系數(shù)；可膨脹性系數(shù)；FZ超壓縮系數(shù)；FT流動溫度系數(shù)；P1孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對壓力，MPa;p差壓，Pa.對于非專業(yè)人員講，粗一看上列公式似乎并不復(fù)雜，只要有了等式右邊的10個參數(shù)即可計算出流量。且這10個參數(shù)中 Avn、E、d、P1、FT、FG、p 7個參數(shù)為已知或能通過測量系統(tǒng)直接檢出處理而成。但確定C、FZ則極為繁雜，歐美國家對其進(jìn)行了長期的實驗和理論研究。對于我公司配氣人員講，也無必要作詳細(xì)了解。例如流出系數(shù)C它與管徑雷諾數(shù)ReD密切相關(guān),要求出C又應(yīng)先求出ReD;；而要求出ReD又必須先知道流量qvns。因此

11、這是一個套循環(huán)函數(shù)的計算過程，需采用牛頓迭代逼近計算法，逐步逼近直至最后求得符合要求的值。顯然，在實際應(yīng)用中，用以上公式按秒流量實時計算并進(jìn)行積算（累加）其準(zhǔn)確度是比較好的。但非人力所能為，故采用流量計算機(jī)來實時進(jìn)行天然氣流量計算及累加成為了最好的選擇。流量計算機(jī)是專業(yè)工控計算機(jī)，并非普通個人所用PC機(jī)所能承擔(dān)其功能。其最重要的是應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型計算瞬時流量和累積流量。因此對它有特殊的要求，主要有：1、 微處理器不低于16bit;2、 支持浮點數(shù)或雙浮點數(shù)運(yùn)算；3、 內(nèi)置可調(diào)整石英鐘，其精度不低于0.1s/24h;4、 計算程序應(yīng)固化不允許用戶修改；5、 支持420mA、1V5V模擬信號輸入；支持?jǐn)?shù)字信號輸入 輸出；6、 A/D轉(zhuǎn)換分辨率不低于16bit；D/A轉(zhuǎn)換分辨率不低于 12bit; 7、 能手動或自動輸入有關(guān)計量參數(shù)如孔板孔徑等；8、 數(shù)據(jù)采樣周期不超過1秒，數(shù)據(jù)處理及計算周期不超過5 秒；存儲容量滿足數(shù)據(jù)保存功能。9、 有報警、歷史事件記錄（黑匣子）功能，平均無故障時間不小于3萬小時。10、其它作為不間斷工作的計算機(jī)所必須具備的功