[摘 要] 民用天然氣小流量計(jì)量，既要流量計(jì)選型準(zhǔn)確，滿足民用氣用氣壓力、流量的要求，又要防止下游私開口造成漏計(jì)的隱患。基于民用氣計(jì)量的特點(diǎn)以及管理難度，本文著重介紹了限流孔板的工作原理、計(jì)算方法等，同時(shí)分析了限流孔板在民用氣計(jì)量應(yīng)用的可行性。

  民用天然氣有其自身的用氣特點(diǎn)，如用氣量較小，但日間波動(dòng)較大，用氣壓力較低等，故民用氣計(jì)量多選用量程比寬安裝方便的智能流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。另一方面，因智能流量計(jì)在超量程后計(jì)量值失真（計(jì)量偏小）且多安裝在閥室等無人值守點(diǎn)，亦存在下游私自開口隱患。如何在選定流量計(jì)口徑后，在無人值守情況下防止下游用戶流量超過儀表量程范圍且能滿足下游用戶供氣壓力的問題，一般采用調(diào)壓閥降壓，采用數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳來監(jiān)控氣量變化，這不僅提高了經(jīng)濟(jì)成本，也增加了工作強(qiáng)度。若采用限流孔板，即一定工況條件下，在流量計(jì)下游安裝限流孔板，可以達(dá)到降壓和限流的雙重目的。
 
1、限流孔板的設(shè)置：
 限流孔板是非標(biāo)孔板的一種，既可以作為流量測量元件用來測量流量，也可作為節(jié)流元件用于限定流量和降低壓力。
 
1.1、工作原理：
 在圓形截面管安裝一塊端面與管軸線相垂直并帶有圓形穿孔的薄板，當(dāng)天然氣流過圓孔時(shí)，產(chǎn)生的壓差與流量成正比，但當(dāng)壓差超過某一數(shù)值（稱為臨界壓差）時(shí)，其流速達(dá)到音速，此時(shí)，無論壓差如何增加，流經(jīng)孔板的流量（質(zhì)量流量）將維持在一定數(shù)值而不再增加。限流孔板就是根據(jù)這一原理來限定流體的流量和降低壓力的。

1.2、工藝計(jì)算：
  限流孔板可按開孔數(shù)分為多孔板和單孔板，按板數(shù)分為單板和多板。根據(jù)SLDI 233A25-98 
《管路限流孔板設(shè)置》的規(guī)定：管道公稱直徑小于或等于150 mm的管路，通常采用單孔孔板。我處民用氣計(jì)量均屬此范圍，故僅對單孔單板的限流孔板進(jìn)行分析。
 
1.2.1、理論基礎(chǔ)：
 氣體的質(zhì)量流量公式為m=ρ•u•A，其中ρ表示氣體密度，u表示氣體速度，A表示限流孔板圓孔直徑。根據(jù)工程流體力學(xué)相關(guān)知識，用滯止溫度T0、滯止壓強(qiáng)P₀及速度系數(shù)λ來表示ρ和u，則：

  根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)隨速度系數(shù)的變化規(guī)律（見圖1），可知λ=1時(shí)，q（λ）=1，為***大，此時(shí)馬赫數(shù)M=1，氣體為音速流；又根據(jù)工程流體力學(xué)中對拉瓦爾噴管管道截面面積變化與馬赫數(shù)的關(guān)系（見圖2），可知?dú)饬鞯膲簭?qiáng)、密度的變化只取決于馬赫數(shù)M，即氣流密度的下降與速度的增加相互抵消^[1]。故當(dāng)氣流速度為音速時(shí)，其流量達(dá)到***大值mmax。

1.2.2、計(jì)算方法：
 在HG/T 20570.15-1995《管路限流孔板的設(shè)置》中，給出了限流孔板在氣體中的計(jì)算公式：W = 4 3 . 7 8 • C • d 0 2 • P ₁ •

  式中：W -流體的質(zhì)量流量，kg/h；C -孔板的流量系數(shù)，（可查?。?；d0 -孔板孔徑，m；P₁-孔板前壓力，Pa；P₂ -孔板后壓力或臨界限流壓力，取大值，Pa；M -分子量；Z -壓縮系數(shù)，（可查?。?；T -孔板前流體溫度，K；K -絕熱系數(shù)。
 由上式可知，通過需要得到的流量、氣體物性以及孔板前后的壓力、溫度等條件，可確定限流孔板的孔徑。反之，也可根據(jù)其他條件來確定限流孔板后的壓力。
 需注意的是，要使氣體流量限定在某一要求的數(shù)值，必須滿足P₂/P₁≤γc（臨界流率壓力比）=

，其γc既可查取也可計(jì)算。否則，計(jì)算的d0無效，需改變壓強(qiáng)和管道管徑重新計(jì)算合格為止。當(dāng)滿足要求時(shí)，氣體屬于臨界流動(dòng)，W僅與P₁有關(guān)。
 
HG/T 20570.15-1995未給出絕熱系數(shù)K的計(jì)算公式，其可由下式計(jì)算^[2]：

  式中：K -混合氣體（共n個(gè)組分）的絕熱系數(shù)；C_{pi -i}組分的定壓比熱容，kJ/(kg•k)；M_{i -i}組分的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；X_{i -i}組分的體積分?jǐn)?shù)；K_{i -i}組分的絕熱系數(shù)。
也可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算K值^[3]：

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算K值

式中符號含義同上式。
 比較這兩個(gè)絕熱系數(shù)計(jì)算公式，后式未涉及定壓比熱容和摩爾質(zhì)量，計(jì)算相對簡單。經(jīng)相關(guān)論證，其計(jì)算誤差在0.1%。
 
2、結(jié)論：
 在選定適合當(dāng)前工況條件的智能流量計(jì)后，為防止下游用氣量增大致使超流量計(jì)范圍而漏計(jì)少計(jì)的隱患，可在流量計(jì)下游直管段外加裝限流孔板。通過計(jì)算，選用適合孔徑的限流孔板，不僅可限定流量（減少無人值守點(diǎn)瞬時(shí)超高限流量，防下游私開口等隱患），也可降低下游的壓力（孔板后壓力不小于孔板前壓力的55%，否則應(yīng)設(shè)置多板），因此在輸氣管網(wǎng)小流量計(jì)量控制方面具有理論和實(shí)踐的可行性。