摘 要 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是一種非常成熟的流量計(jì)，在多年的試驗(yàn)和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，以其耐高壓，安裝使用維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)在我國天然氣計(jì)量中占有主導(dǎo)地位。本文就孔板流量計(jì)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(shí)際情況，提出了控制措施。
 
  天然氣流量計(jì)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(jì)量儀表品種很多 ，其中孔板流量計(jì)自 20 世紀(jì) 70 年代引入我國使用 ，逐步在天然氣流量計(jì)量中獲得了廣泛應(yīng)用 ，到目前為止 ，孔板流量計(jì)在我國天然氣計(jì)量中仍然占有主導(dǎo)地位。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)***主要的優(yōu)點(diǎn)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(jī)械儀表單獨(dú)配套 ，在多年的試驗(yàn)和使用過程中積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn) ，是一種非常成熟的流量計(jì)。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(jì)量準(zhǔn)確度的因素很多 ，現(xiàn)就孔板流量計(jì)的誤差來源加以分析 ，并針對誤差來源 ，在實(shí)際應(yīng)用中采取相應(yīng)措施 ，以提高計(jì)量準(zhǔn)確度。
 
1、孔板流量計(jì)的組成和原理：
1.1、孔板流量計(jì)的組成：
 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)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(shí) ，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(jì)的計(jì)算方法和參數(shù)變量分析
 
這種測量方法是以流動(dòng)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(jì)算公式
 
根據(jù)《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)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(jì)算實(shí)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(jì)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(dòng)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(shí)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(jì)量單位而定
 
秒體積流量（m³/s）A_vn ：=3.1795×10-6 ；
 
小時(shí)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(xiàng)
 
+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(jì)量誤差產(chǎn)生的原因分析

3）ε 的確定方法

3.1 統(tǒng)計(jì)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(shí)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(yàn)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(dú)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(jì)算不

△ P 為差壓 ，計(jì)量儀表的實(shí)測值。

符 ；③孔板厚度誤差 ；④節(jié)流件附件產(chǎn)生臺(tái)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(tái)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(dú)立變量

（3）使用誤差

d20 為孔板開孔在 20℃下的實(shí)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(shí)的實(shí)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(shí)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(dú)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(shí)測值 ；

值將隨之波動(dòng)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(shí)測值。

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

6）FG 的確定方法

3.2 實(shí)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(shí)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(dú)立變量

行檢定時(shí)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(shí)

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(shí)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(jì)量器具（如游標(biāo)卡尺）往往不能按期

送檢 ，現(xiàn)場計(jì)量人員也未進(jìn)行長度計(jì)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(dú)立變量

著等對其實(shí)際內(nèi)徑產(chǎn)生的變化 ；

t1­-_ 氣體的實(shí)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(gè)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(gè)截面。

式中 ：

這些因素導(dǎo)致了實(shí)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(huì)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(gè)變量都可以通過計(jì)算和測量兩種方法來確定 ，

這幾個(gè)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(gè)方面 ：

然氣壓縮因子的計(jì)算 用摩爾組成進(jìn)行計(jì)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(jì)算 用物性值計(jì)算》來計(jì)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(gè)。

裝及使用是保證獲得真實(shí)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(jì)算的參數(shù)中 ，有

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

些是無法實(shí)測的 ，稱為統(tǒng)計(jì)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(shí)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(dú)變量計(jì)算得出 ，這些單獨(dú)變量包

溫度是數(shù)據(jù)真實(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(shí)際應(yīng)用中 ，采取相應(yīng)的措施 ，使天然氣計(jì)量誤差得以

儀表選型是否合適 ，安裝位置是否合理 ，運(yùn)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(jì)算 ，并通過物性參數(shù)間接影響流量計(jì)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(gè)因素組成 ，即取樣點(diǎn)分布、取樣方式和取樣周期。
 
（1）取樣點(diǎn)分布取樣點(diǎn)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(jì)量站 ，可在氣體入口下游與流量計(jì)上游之間能使天然氣充分混合的匯管處設(shè)置取樣點(diǎn) ；②對于單一氣源的輸氣計(jì)量站 ，可在氣體入口處設(shè)置取樣點(diǎn) ；③對于流量大的用戶 ，如果用戶需要 ，可在流量計(jì)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(diǎn)。
 
（2）取樣方式取樣方式有邊連續(xù)取樣、累積取樣和單點(diǎn)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(jì)量點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)取樣方式中 ，國外大多是一天取一次 ，國內(nèi)一般是一個(gè)月或一個(gè)季度取一次。