天然氣流量計(jì)量及儀表選型

天然氣流量計(jì)量及儀表選型

重慶天燃?xì)庥邢挢?zé)任公司 尹梅

0　引　言

隨著天然氣的廣泛使用，各種不同使用狀況和需求對流量計(jì)量的要求有很大的差別，同時，由于氣體的可壓縮性，流量的測量，氣體要比液體困難得多。若要求氣體計(jì)量達(dá)到相當(dāng)高的精度，則計(jì)量儀表的經(jīng)濟(jì)投入必然巨大。因此，合理選擇測量方法及功能、特性、經(jīng)濟(jì)適用的流量儀表是非常必要的。以下就天然氣的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、測量方法及儀表選型進(jìn)行實(shí)用性介紹。

1　天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及溫度、壓力修正方式

(1)　天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

天然氣計(jì)量以體積表示，單位：m3。由于氣體具有可以充滿任意空間和可壓縮性的特性，由氣體狀態(tài)方程式可知，作為計(jì)量用的標(biāo)準(zhǔn)體積，必須對壓力、溫度作出明確的統(tǒng)一規(guī)定，離開了狀態(tài)談?wù)摎怏w體積是沒有意義的。

國家石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已明確規(guī)定以溫度293.15K(20℃)，壓力101.325kPa時的狀態(tài)為天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；凡是實(shí)際狀態(tài)與此標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不相符時，均應(yīng)按氣體狀態(tài)方程式進(jìn)行修正。

式中：Qn---標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積量，m3；
Q---工作狀態(tài)下的氣體體積量，m3；
t---工作狀態(tài)下的氣體溫度，℃；
P---工作狀態(tài)下的表壓力，kPa；
Pa---測量時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海琸Pa；
z---氣體的壓縮系數(shù)。

壓縮系數(shù)z是隨溫度和壓力而變化的，它與氣體的工作壓力P和氣體的臨界壓力PC的比例(P/PC)、氣體的工作溫度T(K)和氣體的臨界溫度TC(K)的比例(T/TC)有明確的函數(shù)關(guān)系。天然氣的壓縮系數(shù)z=1/F2z，超壓縮因子Fz可在國家石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143-1996中的附錄Ａ中查出；在壓力小于0.1ＭPa時，z=1。

天然氣管網(wǎng)輸配的實(shí)際情況是變化復(fù)雜的，常與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不相符。故需采用一定的修正方式進(jìn)行補(bǔ)償修正。

(2)　不同地區(qū)的固定人工修正系數(shù)

當(dāng)無溫度、壓力自動補(bǔ)償裝置和壓力記錄儀時，并在使用壓力波動不大時，可根據(jù)各地區(qū)大氣壓不同(北京為101.32kPa，重慶為98.32kPa，上海為101.61kPa，拉薩為65.18kPa)和溫度不同制定出當(dāng)?shù)剡m用的固定人工修正系數(shù)K固參考表。

按(1)式可得：

式中：KT---平均溫度修正系數(shù)；
KP---平均壓力修正系數(shù)。

在確定的地區(qū)和一個時期內(nèi)(冬季或夏季或全年)，平均溫度t和平均大氣壓Pa可為常數(shù)；而z隨P變化，故K僅隨P變化。由此可列出K-P關(guān)系的當(dāng)?shù)叵盗袎毫π拚禂?shù)參考表，根據(jù)實(shí)際壓力P(由表前壓力計(jì)近似讀取)直接查出K固，即可按下式求出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量：

Qn=K固×Q

式中：Q---流量儀表的指示讀數(shù)，m3

(3)　采用壓力記錄儀人工定時修正系數(shù)

在流量儀表前安裝壓力記錄儀，連續(xù)記錄氣體在24小時內(nèi)的壓力。將壓力記錄儀的起點(diǎn)調(diào)到當(dāng)?shù)卮髿鈮海捎?00%圓圖刻度記錄紙，用算術(shù)平均法或相當(dāng)半徑法(比例求積儀)，求出靜壓平均格數(shù)ＸP，則：

式中：Pmax---壓力記錄儀上限值，kPa。

采用溫度計(jì)，每隔2小時記錄一次溫度，算出當(dāng)日平均溫度，由此可求得KT，按(2)、(3)式即可得Qn。

(4)　電子修正積算器

用微電子處理技術(shù)對采集的信號進(jìn)行處理和計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對被測體積的精確修正。采集來自氣體流量儀表的脈沖訊號，根據(jù)設(shè)定的脈沖當(dāng)量值計(jì)算出未經(jīng)修正的實(shí)際流量體積Q，并與測得的工況壓力P(設(shè)定平均壓力固定值或壓力傳輸器引入的被測當(dāng)前壓力)、工況溫度T(設(shè)定平均溫度固定值或溫度傳感器引入的被測當(dāng)前溫度)、壓縮ｚ(設(shè)定為固定值或輸入公式自動計(jì)算)、當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a，按(1)式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，使其自動計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)體積。它可與氣體渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、漩渦流量計(jì)、膜式煤氣表等配合使用。

2　天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)及配套裝置

標(biāo)準(zhǔn)孔板測量流量是當(dāng)氣體流經(jīng)孔板時，其前后產(chǎn)生的壓力不同，通過此壓力差來計(jì)算流量。標(biāo)準(zhǔn)孔板是符合GB/T2624-1993的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、文丘利管)的一種，有可*的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)GB/T2624-1993設(shè)計(jì)、加工、安裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板不必單獨(dú)校準(zhǔn)或標(biāo)定。

(1)　節(jié)流裝置的流量計(jì)算公式：

式中：Q---工作狀態(tài)下的體積流量，m3/ｓ；
ε---可膨脹性系數(shù)；
△P---節(jié)流件前后的壓差，Pa；　　
ρ---節(jié)流件上游側(cè)一定溫度、壓力下的密度，kｇ/m3；
ｄ---節(jié)流件開孔直徑，m；
β=ｄ/Ｄ---節(jié)流件的直徑比，Ｄ為管道內(nèi)徑，m；
C---流出系數(shù)。與工作狀態(tài)下流束的摩擦阻力、渦流損失、收縮情況和取壓孔位置有關(guān)的修正系數(shù)，可采用實(shí)驗(yàn)方法求得或用Stｏｌｚ方程計(jì)算給出。

(2)　天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測量的實(shí)用公式

天然氣采用標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行流量計(jì)量時，可按SY/T6143-1996進(jìn)行流量計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算的實(shí)用公式：

式中：Qn---標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/ｓ；
ＡS---秒計(jì)量系數(shù)，視采用計(jì)量單位而定，此式ＡS=3.1794×10-6，若以小時Ｈ為單位，需乘上3600。
C---流出系數(shù)；
Ｅ---漸近速度系數(shù)，

ｄ---孔板開孔直徑，mm，ｄ=ｄ20[1+λｄ(t-t20)]，ｄ20和t20分別為20℃±2℃時孔板開孔檢測直徑(mm)和室內(nèi)溫度(℃)，λｄ為孔板材料的線膨脹系數(shù)(mm/mm.ｃ)，t為天然氣流過孔板時的溫度(℃)。
FG---相對密度系數(shù)，，Gｒ?yàn)檎鎸?shí)相對密度；
P1---孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對靜壓，ＭPa；
△P---氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，Pa；　
ε---可膨脹系數(shù)，ε=1-(0.41+0.35β4)，k為等熵指數(shù)；
Fz---超壓縮因子，zn和z1分別為標(biāo)態(tài)下和流態(tài)下的壓縮系數(shù)；
FT---流動溫度系數(shù)，

式中C、ε、λｄ、Gｒ、FG、FT、Fz、z1等參數(shù)均是對實(shí)際工況轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的修正系數(shù)，其具體數(shù)據(jù)可查該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)附錄表。

(3)　天然氣用標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量的流量積算

a)　用雙波紋管差壓流量計(jì)積算

雙波紋管差壓流量計(jì)由測量孔板(差壓、靜壓)和顯示部分及附件求積儀組合而成，用100%圓圖刻度記錄紙(即開方卡片)來記錄孔板的差壓△P和靜壓P1，由求積儀算出當(dāng)日流量，按(6)式，可得其實(shí)用公式：

取

X104

式中：Pmax(ＭPa)、△Pmax(Pa)分別為儀表靜壓、差壓的上限值，ＸP、Ｘ△P分別為開方卡片記錄的實(shí)際靜壓、差壓的平均格數(shù)。

對于一臺確定的計(jì)量裝置，當(dāng)天然氣成分一定時，ｄ、Pmax、△Pmax、Gｒ可視為常數(shù)；當(dāng)β值(即ｄ、Ｄ值一定時)一定的節(jié)流件在雷諾數(shù)較高的區(qū)域內(nèi)使用時，C可視為常數(shù)；對于特定環(huán)境下，F(xiàn)z(=1/z)值基本可視為常數(shù)(供氣壓力低于0.5ＭPa時，可取z約為1)；當(dāng)用壓力比較穩(wěn)定，氣量變化不很大時，則ε也可視為常數(shù)，由此K雙在特定的情況下為常數(shù)。則：

根據(jù)此公式，可人工積算出一天的用氣量。

雙波紋差壓計(jì)由于性能穩(wěn)定性好，經(jīng)濟(jì)投入不大，常用于中、高壓，大中流量的工業(yè)管線和總計(jì)量以及臨時計(jì)量中，但因人工積算不便且積算精確受人為因素影響，現(xiàn)逐漸被較先進(jìn)的儀表取代。

ｂ)　微機(jī)流量計(jì)量裝置

微機(jī)流量計(jì)量裝置由孔板(或其它一次流量儀表和渦輪、漩渦等)、差壓和壓力變送器(或渦輪、漩渦變送器等)、溫度變送器和工控式微處理器及其相應(yīng)配套設(shè)施，將孔板的差壓、壓力、溫度信號由變送器轉(zhuǎn)換成模擬量4～20mＡ，經(jīng)過Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器傳送到已事先輸入并嚴(yán)格按(6)式(或其它流量儀表變送器相應(yīng)的計(jì)算公式)程序設(shè)計(jì)軟件的微處理器內(nèi)，從而通過顯示器獲得氣體的流量；它可實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采樣(每二秒一次或幾秒一次)，比人工每小時采樣精確很多，并可安裝多套計(jì)量管線和多種流量儀表的信號，同時記錄、運(yùn)算和顯示。其原理圖如圖1所示。

可接收來自孔板經(jīng)壓力、差壓、溫度變送器產(chǎn)生的4～20mＡ(或1～5Ｖ)模擬量信號(以及來自渦輪、漩渦等流量計(jì)的脈沖信號，頻率量范圍為0～5000Ｈｚ幅值12Ｖ)。可設(shè)計(jì)出顯示瞬時流量、時和日月累計(jì)流量、差壓和壓力、溫度及其上下限、密度、報(bào)警、記錄參數(shù)更改的內(nèi)容、時間以及壓力、差壓、流量曲線等多項(xiàng)功能。

3　膜式煤氣表和腰輪流量計(jì)

此兩種儀表屬于容積式流量儀表。其特點(diǎn)具有測量準(zhǔn)確度高，量程比寬，被測氣體的密度和粘度的變化對儀表示值和準(zhǔn)確度影響小，對儀表前后直管段要求不高，但儀表傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，制造要求高，關(guān)鍵件易磨損。腰輪流量計(jì)需定期清洗和添加、更換潤滑油。

膜式煤氣表工作原理：在儀表進(jìn)出口的壓差作用下，氣體通過滑閥和分配室，使兩個計(jì)量室的隔膜形成交替進(jìn)排氣的往復(fù)運(yùn)動；各自往復(fù)進(jìn)排氣一次巡回體積為一額定值即一回轉(zhuǎn)體積量(Ｖ1)；與此同時連接于隔膜主軸上的傳動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將隔膜一回轉(zhuǎn)的次數(shù)連續(xù)輸入到計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行流量累計(jì)，從而顯示出氣體流出的總量。如圖2所示。

腰輪流量計(jì)又稱羅茨或轉(zhuǎn)動流量計(jì)，當(dāng)氣體由進(jìn)口流入，在進(jìn)出口壓差作用下，處于圖3a位置時，腰輪Ａ上的合成力矩不平衡，故腰輪Ａ不能轉(zhuǎn)動。而腰輪B上的合成力矩不平衡，故腰輪B按順時針方向轉(zhuǎn)動，同時把計(jì)量室內(nèi)的氣體排向出口，與此同時腰輪B轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動齒輪帶動了腰輪Ａ轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動齒輪，使腰輪Ａ按逆時針方向轉(zhuǎn)動，逐漸由圖3ｂ位置到達(dá)圖3ｃ位置，同樣通過兩腰輪上所受力矩和轉(zhuǎn)動過程則形成圖3ｄ位置，兩腰輪如此主從交替轉(zhuǎn)動，腰輪旋轉(zhuǎn)一周就有四個如圖中陰影部分容積的氣體排出，通過腰輪的轉(zhuǎn)數(shù)和齒輪減速系統(tǒng)，輸入到指示機(jī)械從而顯示出氣體的總流量。如圖3所示。

膜式煤氣表大量用于居民用氣，腰輪流量計(jì)常用于中壓用戶。兩種儀表一般未帶溫度壓力補(bǔ)償裝置，故需采取如前“計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)”中所述三種修正方式之一進(jìn)行補(bǔ)償修正。當(dāng)采用電子修正積算器時，需加裝溫度、壓力、示值傳感器，一是可在儀表出廠前預(yù)留信號管(壓力、溫度)和示值傳感器；另外可在儀表現(xiàn)場天然氣輸配管線上引出壓力、溫度信號管并配相應(yīng)傳感器和示值傳感器。

兩種儀表可通過加裝示值傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，從而實(shí)現(xiàn)微機(jī)數(shù)據(jù)集中管理。

4　氣體渦輪流量計(jì)、卡門渦街流量計(jì)和旋進(jìn)漩渦流量計(jì)

三種儀表均屬速度式流量計(jì)。氣體渦輪流量計(jì)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程比較寬、反應(yīng)迅速、壓損小，但安裝使用(表前需安過濾器和整流器)和軸承耐磨性的要求較高；漩渦流量計(jì)是儀表內(nèi)部無活動機(jī)件、壽命長、準(zhǔn)確度高、量程比寬，但流速分布情況和脈動流、振動對測量有不同程度影響。

氣體渦輪流量計(jì)工作原理：當(dāng)被氣體流經(jīng)渦輪體時，氣體推動帶有螺旋形導(dǎo)磁葉片的葉輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)由鐵磁材料制成的葉片旋經(jīng)固定在殼體上的磁感應(yīng)或信號檢出器中的磁鋼時，引起磁路中磁阻的周期性變化，并在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生近似正弦波的電脈沖信號，在渦輪儀表規(guī)定的流量范圍內(nèi)，脈沖信號的頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量成正比，將此脈沖信號經(jīng)過積算顯示部分運(yùn)算、處理可顯示出流量，如圖4所示。

卡門渦街流量計(jì)工作原理：在流體管道內(nèi)插入一根非線型的柱狀物(圓柱或三角柱)，當(dāng)氣體流經(jīng)并達(dá)到一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，柱狀物的下游即產(chǎn)生兩列不對稱而有規(guī)律的交替漩渦，漩渦的頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量成正比，通過檢出器、放大和轉(zhuǎn)換器，可獲得流體的流量。如圖5所示。

旋進(jìn)漩渦流量計(jì)工作原理：當(dāng)氣體沿著軸向進(jìn)入流量計(jì)入口，螺旋錐體強(qiáng)迫流體旋轉(zhuǎn)，形成漩渦流經(jīng)文丘利管旋進(jìn)、節(jié)流、加速，在中心軸線處形成高速旋轉(zhuǎn)的渦核，到了擴(kuò)散器，因壓力的變化產(chǎn)生回流，使渦核轉(zhuǎn)折偏離軸線，形成錐旋線進(jìn)動。若儀表有關(guān)的幾何形狀和尺寸設(shè)計(jì)合理，檢測點(diǎn)的螺旋漩渦進(jìn)動頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量在很寬的流量范圍內(nèi)成正比，經(jīng)過放大整形成電脈沖信號，傳輸至顯示部分，即可運(yùn)算出流體的流量。如圖6所示。

三種代表的工況流量公式：

式中，K儀---儀表系數(shù)，它與儀表設(shè)計(jì)的具體形狀、尺寸、檢出點(diǎn)、生產(chǎn)工藝等多種因素有關(guān)，并需經(jīng)檢測標(biāo)定。

結(jié)合(1)式和(10)式，三種儀表同樣可采用如前所述的三種修正方式之一進(jìn)行修正，從而獲得標(biāo)態(tài)下的流量。

除采用上述修正方式外，也可將(1)式、(10)式綜合融進(jìn)智能一體化設(shè)計(jì)，使儀表直接顯示出標(biāo)態(tài)下的流量，例如：智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)圖見圖6，其流量積算原理圖見圖7；氣體渦輪流量計(jì)和卡門渦街流量計(jì)均可按此結(jié)構(gòu)形式和原理進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

5　儀表選型參考表(如表1)

這個帖子好，我學(xué)學(xué)