摘(zhai)要：氣體超聲(shēng)流童計 與 孔(kong)闆流量計 在(zài)天然氣工業(yè)中應用的兩(liang)個主要方面(mian)流體流動特(te)性💞對儀表性(xìng)能的影響和(he)流童計的幹(gàn)校問題進行(háng)比較,分析它(tā)們存在的問(wèn)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(gong)😄應用有突💚破(pò)性的進展,一(yi)些天然氣流(liu)量計量的疑(yí)難問題可望(wang)獲得解決。據(ju)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(jie)接受。多聲道(dào)氣體超聲流(liú)量計是氣體(ti)渦輪流量計(ji)後被氣體工(gong)業界接受的(de)最重要的流(liu)量計量器❗具(jù)。目前美國氣(qì)🔞體協會(AGA)已經(jīng)完成AGAeReortNo.9“用超聲(shēng)流量計測🥰量(liàng)氣體流量”草(cao)案閉。制定有(yǒu)關國家标準(zhun)與國際标準(zhǔn)的準備工作(zuò)正在🈲進行。至(zhì)今,已有12個💋國(guó)家的政府機(ji)構批準氣體(tǐ)超聲流量計(ji)爲法定計量(liàng)器具國外❄️天(tian)然氣工業在(zài)貿易輸送☔,氣(qi)體分配、調合(he)🔞、控制和檢🌍漏(lou)等方面都廣(guang)泛采用它。對(duì)天然氣工業(ye)中傳統的計(ji)量儀表孔闆(pǎn)流量計與新(xīn)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(biao)性能的影響(xiang)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(zhǎn)前景。
流體流(liu)動特性對儀(yi)表性能的影(ying)響
　　孔闆流量(liàng)計和氣體超(chāo)聲流量計都(dōu)是對流體流(liú)動特性❌變化(hua)敏感的儀表(biǎo),如何消除不(bú)正常流動特(te)性對儀表性(xìng)能的影響一(yī)直是這二類(lèi)儀表的主題(tí)之一。現在💔可(ke)以看到兩者(zhě)解決此問題(tí)的方法有很(hěn)大差别,在技(ji)術和經濟兩(liǎng)方面亦有不(bu)同有❄️效果,分(fen)析它們的特(te)點,對今後流(liu)量計的發展(zhǎn)是🙇🏻有現實意(yì)義的。
l孔闆流(liú)量計
　　本世紀(ji)20年代起人們(men)就對流體流(liú)動特性對儀(yí)表性能的影(yǐng)響進行過大(dà)量的試驗研(yan)究,爲了準備(bei)孔闆流量💰計(jì)AGA(美國氣體協(xié)會)報告,從1924年(nián)到1935年美國進(jin)行過10年試驗(yàn)研究,研究項(xiang)日多達14項,其(qí)中大部分是(shì)關于♈流體流(liu)動特性的影(ying)響試驗。幾乎(hu)同時歐洲亦(yi)進行同樣内(nei)容的🔆孔闆流(liú)量計試驗研(yan)究,這些都爲(wei)制定節流式(shi)差壓流量計(jì)國際标準奠(diàn)定了基礎。現(xian)🌈在ISO5167中關于節(jiē)流裝置上下(xià)遊必要的最(zui)短直管段長(zhang)度的規🏃🏻定就(jiu)是這些試驗(yàn)✉️研究的總結(jie),在各類流量(liang)計中它的數(shu)據是最具權(quan)威性的。但是(shi)亦應看到,這(zhe)些規定不但(dan)在内容上存(cún)在很大的争(zheng)議,而且在實(shí)際上也遠不(bu)能滿足現場(chǎng)的需🌈要。ISO5167第一(yī)版(1980年)投票表(biao)決通🔞過時,孔(kǒng)闆流量計資(zī)料主要提供(gòng)㊙️國美國卻投(tou)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(kong)闆流量計進(jìn)行10餘年的大(dà)🌏規模研究試(shi)驗,至今它已(yǐ)取得巨大的(de)成果👉,準備對(duì)ISO5167一1(1991年)[,〕進行修(xiū)訂,修訂✍️的主(zhu)要内容之一(yī)就是關于直(zhí)管段長度的(de)規定。
孔闆流(liú)量計爲解決(jue)此問題進行(hang)研究試驗有(yǒu)以下特點:
(l)确(què)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(jìng),b值,雷🌈諾數範(fàn)圍的試驗,确(què)定在參比工(gōng)作條件下(充(chōng)分🔅發展管流(liú))所需的最短(duǎn)直管段長度(dù)。
(2)爲縮短必要(yao)的直管段長(zhǎng)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(dong)調整器(ISO5167中爲(wei)5種)。
(3)流動特性(xìng)中關于非定(dìng)常流(如脈動(dòng)流)提出技術(shù)報告(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動(dong)流的抑制及(ji)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(yào)仍感很不滿(mǎn)☔足:
(l)現場的阻(zu)流件類型遠(yuǎn)多于标準中(zhōng)提供的,并且(qiě)阻🈲流件之間(jian)的組合形式(shi)層出不窮,因(yīn)此現場總感(gan)覺有些問題(tí)有待解決,例(li)如天然氣輸(shu)配氣計量站(zhan)出㊙️現較普遍(bian)的旋風分離(li)器和彙管在(zai)标👈準中就沒(méi)有規定。
(2)試驗(yan)研究需花費(fèi)巨大的人力(li)物力,一種類(lei)型阻流件需(xū)進行🏃🏻各種口(kou)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(bian)化的試驗,可(kě)以想象,這種(zhong)排列組合方(fang)式的試驗工(gōng)作量有🔞多麽(me)巨大,實在是(shi)不勝負擔的(de)一項工作。
(3)采(cai)用流動調整(zhěng)器以縮短直(zhi)管段長度不(bú)是一種好辦(bàn)法,它會帶來(lai)附加壓損,流(liu)體中雜質易(yi)在其中堵塞(sai),增加現場使(shǐ)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(jì)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(cè)量🏃‍♀️的,其原因(yin)是信号(差壓(ya))與流量爲非(fei)線性關系(平(ping)☂️方關系),引壓(ya)管線使信号(hào)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(qi)體超聲流量(liàng)計
　　新型的氣(qi)體超聲流量(liang)計采取多聲(sheng)道配置的方(fang)案來對付速(sù)🍉度分布畸變(bian)及旋轉流等(deng)不正常流動(dòng)特性的🐕影響(xiang)。例如多聲🔴道(dào)氣體超聲流(liú)量計,其工作(zuo)原理如圖l所(suǒ)示。流量計的(de)檢測件是一(yi)個‼️帶有5個超(chāo)聲通道(聲道(dao))的圓形短😍管(guǎn),這5個聲🌈道是(shì)這樣組成的(de):采用2個具有(you)二次反射的(de)聲道和3個單(dan)反射聲道,它(ta)們♌組成爲一(yi)個超聲通道(dao)網絡,對整個(ge)管道橫截面(mian)積都能進行(hang)🌂分析,在分析(xi)速度分布畸(ji)變與旋轉流(liu)對🚶測量值影(ying)響的基礎上(shàng)制定儀表信(xìn)号處理方案(àn)。這種解決不(bu)正常流動特(te)性的方法有(you)以下特點:
(l)氣(qì)體超聲流量(liang)計檢測件是(shi)一段無阻礙(ài)物的圓管,與(yu)😄孔闆流量計(jì)中有節流件(jian)阻礙相比對(duì)流動特性的(de)影響較易分(fèn)🐕析。由㊙️于檢測(ce)件形狀的特(tè)殊性,而超聲(shēng)流量計的檢(jian)測件是一段(duan)圓⭕管,在流✌️體(tǐ)力學專業資(zī)料中可✌️以找(zhǎo)到許多參考(kǎo)資料,因此二(er)者處理此問(wen)題所依靠🚩的(de)背景資料有(yǒu)很大差别。
(2)氣(qì)體超聲流量(liang)計處理此問(wen)題是采取分(fèn)析對象,制定(dìng)檢測策略🥰的(de)方法,孔闆流(liu)量計則進行(háng)一個個阻流(liu)件試驗,無論(lùn)技術上或經(jīng)濟上其效率(lǜ)與效果都⭐很(hen)不相同,氣體(tǐ)超聲流量計(ji)的優點是⭐顯(xiǎn)然的。
(3)目前發(fa)展多聲道檢(jian)測件隻能在(zài)較大口徑(DN150以(yi)上)應💚用,今♻️後(hou)中小口徑如(rú)何解決相信(xìn)氣體超聲流(liu)量計是會找(zhǎo)到解決辦法(fǎ)的。

　　流量計(jì)的幹校一一(yi)儀表系數的(de)偏離問題對(duì)于大口徑(DN200以(yǐ)上)流量測量(liàng)來說,流量計(jì)能否實行幹(gàn)校(無需實流(liu)校驗)是推廣(guang)♉應用的一個(ge)關鍵因素,某(mǒu)些情㊙️況下甚(shen)至是用戶采(cai)用與否的決(jue)定性因素。孔(kǒng)闆流量計借(jiè)助國際上長(zhang)期的試驗研(yan)究及實踐經(jing)驗的總結,早(zao)在30年🈲代就開(kai)始實行儀表(biao)的幹校,這是(shi)它獲得廣泛(fan)應用的重要(yào)原因。氣體超(chāo)聲流量計若(ruo)要在天然氣(qi)工📞業輸配氣(qi)計量站得到(dao)廣🆚泛應用,幹(gan)校可能是一(yi)個必要條件(jiàn),一般來說輸(shū)配氣計量站(zhàn)管線都是中(zhong)大✊口徑的。
　　幹(gan)校是儀表投(tóu)用前确定流(liú)量計儀表系(xì)數(或流出系(xi)數)的一種方(fang)法,但是更重(zhong)要的是幹校(xiào)确定的儀表(biǎo)系數在現場(chǎng)是否适用以(yi)及能否保持(chi)長期穩定。
l孔(kong)闆流量計
　　孔(kong)闆流量計幹(gàn)校後在現場(chǎng)使用時其流(liú)出系數可🐪能(neng)㊙️偏離标♋準值(zhí)的影響因素(su)如表l所示。

由(yóu)表可見:
(l)結構(gòu)的偏離有些(xie)是制造時産(chǎn)生的,有些則(zé)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(jué)的問題。
(2)管線(xian)布置的偏離(lí)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(qì)不是一個好(hao)辦法,前面已(yǐ)談過🌂,除此以(yǐ)外,隻有💁增大(da)測量誤差了(le)。
(3)使用的偏離(li),現場情況千(qiān)變萬化,很難(nan)維持實驗室(shi)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(ce)量領域(氣井(jǐng)到處理廠之(zhi)間的天然氣(qi)),這一問題更(gèng)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(rán)氣流量的标(biāo)準孔闆計量(liang)方法)中特别(bie)增加一個附(fù)錄(節流裝置(zhì)在使用中出(chū)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(pèi)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(kǒng)闆直角人口(kǒu)邊緣和測量(liang)管内壁的沖(chong)刷腐蝕尤爲(wei)嚴重,因此在(zài)實際應用中(zhōng)采取在💁流出(chū)系數中增加(jia)❤️二個修正系(xì)數,即孔闆人(ren)口尖銳度修(xiū)正系數和管(guǎn)壁粗糙度修(xiū)正系數。這種(zhong)解決辦法實(shí)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(biao)準的原因應(ying)該從儀表本(ben)身的♌工作原(yuan)理與結構特(tè)點去尋找。由(you)于儀表特性(xìng)取決于節流(liu)裝置的♻️幾何(hé)形狀及尺寸(cùn),現場的長期(qī)應用難免不(bu)産生磨損、腐(fǔ)蝕和積垢等(děng)使幾何形狀(zhuang)🏃‍♀️及尺寸改變(bian)的情況🍉,引壓(yā)管線🔴是孔闆(pǎn)流量計易發(fā)生故障的部(bu)件,據統計由(you)☂️于引壓管線(xian)堵塞、洩漏、凍(dong)結等使信号(hao)不正常約占(zhan)儀表故障率(lǜ)的70%,其他👨‍❤️‍👨如不(bú)正常流動特(te)性引起的測(cè)量誤差隻能(néng)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(jié)構上看實行(hang)幹校是可能(neng)的困,隻是目(mù)🐪前成熟程度(du)(幹💜樣的👣必要(yao)條件)尚不能(neng)與孔闆流量(liàng)計相比,隻要(yao)加強❌理論探(tàn)讨積累實踐(jian)經驗,實行幹(gan)校隻是時間(jian)上的問題。
以(yǐ)下我們來探(tàn)讨一下幹校(xiao)後會不會出(chu)現與孔闆流(liu)量計一樣的(de)問題,這是更(gèng)爲重要的方(fang)面。
氣體超聲(shēng)流量計的流(liu)量方程。

式中(zhong)
qv—體積流量;
L—超(chāo)聲波在流體(ti)中的傳播路(lù)徑長度(聲道(dao)長度);
A—管道橫(héng)截面面積;
Ψ—超(chao)聲波傳播方(fang)向與流體流(liu)向之間的夾(jiá)角(聲道角);
tab—超(chao)聲波從換能(néng)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(néng)器a的傳播時(shi)間;
K—儀表系數(shu)。
　　由式(l)可見,體(tǐ)積流量的測(ce)量準确度決(jue)定于3部分:時(shi)間差,結構參(can)數L,A, Ψ等的測量(liàng)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(jǐ)何形狀及尺(chi)寸變化影響(xiǎng)儀表特性的(de)問題,聲道長(zhang)度,聲🏃🏻‍♂️道角及(jí)管道橫截面(mian)面積是比較(jiao)恒定的參數(shu),亦沒有引壓(ya)🔱管線之類易(yi)引起故障的(de)部件,根據現(xiàn)場條件确定(dìng)儀表系🤟數及(jí)維持長期穩(wen)定是比較可(kě)能的。
(2)解決速(sù)度分布畸變(biàn)與旋轉流的(de)方法與孔闆(pǎn)流量計不同(tong),沒有阻流件(jian)對号人坐的(de)問題,亦不采(cai)用會引起副(fu)作用的流動(dong)💋調整器,它是(shì)從聲道設置(zhi)方案人手,更(geng)💃🏻着重于軟測(ce)量方法解決(jue)問題💞,便于應(yīng)付現場複雜(za)多變的條件(jian)。
(3)對非定常流(liu)測量,氣體超(chāo)聲流量計是(shì)完全适合的(de),其原因由儀(yi)表工作原理(lǐ)與結構所決(jué)定:①信号與流(liu)量(流速)爲線(xian)性🏃🏻關系;②檢測(cè)件内無阻礙(ài)物;③非接觸測(cè)😍量;④測量👨‍❤️‍👨采用(yòng)高速數字信(xìn)号處理技術(shu)。這些特點使(shi)它可以快速(su)響應流體流(liu)動的✨動态變(bian)化。
其他儀表(biǎo)性能的比較(jiào)
1範圍度
　　孔闆(pǎn)流量計範圍(wei)度窄(約爲3:1一(yi)4:1),近年來雖從(cóng)多方面🐕采取(qǔ)措施拓寬其(qi)範圍度,如采(cai)用寬量程差(cha)壓變送器,多(duo)台差壓變送(sòng)器并聯使用(yong),采用可換孔(kong)闆節流裝置(zhì)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(xun)色。氣體超聲(sheng)🚶‍♀️流量計範圍(wei)度可達40:1(DN150)一160:l(DN75O),在(zài)實際使用中(zhong)流量計♍可測(ce)流量(流速)下(xià)限值是🎯一個(gè)更重要🈲的指(zhi)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(xiàn)值僅5m/s,或更低(di)),使得流量計(ji)選型困難。氣(qi)體超聲流量(liang)計下限流速(su)偏差如💯表2所(suo)示。
　　如管徑爲(wèi)DN125時,測量誤差(cha)爲1%,則下限流(liu)速可達:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管徑(jing)爲DN1600時,測量誤(wu)🏃‍♂️差爲l%,則下限(xian)流速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.

　　據(jù)資料介紹,在(zài)天然氣輸配(pei)氣計量站中(zhong),一座用孔闆(pǎn)流⭐量🐉計🌈做👨‍❤️‍👨爲(wei)計量儀表的(de)計量站,爲滿(mǎn)足範圍度的(de)要求,需💯設置(zhì)4條DN400mm管線,如采(cǎi)用氣體超聲(shēng)流量計則隻(zhī)需設置2條DN600mm管(guǎn)線或一條ND700mm管(guǎn)線,這樣采用(yong)氣體超聲流(liu)量計可節省(sheng)一次性投資(zi)10一40%,節省占地(di)空間50一75%,并且(qiě)精度更高👄,工(gōng)作更穩定,維(wei)護量更少。
2壓(ya)力損失
　　孔闆(pan)流量計以壓(yā)損大著稱,而(er)氣體超聲流(liú)量計恰是無(wú)壓損(僅📞相當(dang)于一段管道(dao))儀表,對于大(dà)口徑,這個特(te)點很重要,它(tā)可以節🌈約能(néng)耗或适用于(yu)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(cè)件💛制造成本(ben)與口徑大小(xiao)的㊙️關系僅相(xiang)當于管道價(jia)值的增加,因(yin)此它是一種(zhǒng)特别适用于(yu)大口徑的儀(yí)表。
4使用維護(hù)
　　孔闆流量計(jì)由3部分組成(cheng):節流裝置、 差(chà)壓變送器 和(he)流量顯示儀(yí)。在現場惡劣(lie)工作條件作(zuò)用下節流裝(zhuāng)🐉置與差壓變(bian)送器及其連(lian)接部分引壓(yā)管線是使用(yong)維護的重點(diǎn),天然氣輸配(pei)氣計量站爲(wèi)經常檢查孔(kǒng)闆的🏃‍♂️質量,常(cháng)增設旁路管(guan)或采用價㊙️格(gé)昂貴的可換(huàn)孔闆節流裝(zhuāng)置,這些都使(shi)儀表及其輔(fǔ)助設備造價(jià)增加,也增加(jiā)了維護工作(zuo)量。氣體超聲(sheng)流量計檢測(cè)件比較牢固(gù),維護工作量(liàng)少,甚至可做(zuo)成插㊙️人式探(tan)頭,在不斷流(liú)情況下取出(chu)維修。
　　氣體超(chao)聲流量計與(yu)孔闆流量計(jì)在天然氣工(gōng)業中的應💃用(yòng)進✍️行一些比(bǐ)較,由上述可(kě)見,在大口徑(jìng)測量方面🌈,氣(qì)體🐪超聲流量(liang)計無疑更爲(wèi)優越。孔闆流(liu)量計畢竟已(yǐ)🐅經發展數十(shí)年至上百年(nian)曆史,全世界(jie)流量工作者(zhě)都🏒對它進行(háng)過巨大的理(lǐ)論與實♊踐工(gōng)作,取♈得極爲(wèi)豐富的經驗(yan),相比之下,氣(qi)體超聲流量(liang)計僅✍️剛嶄露(lù)頭角,尚需通(tōng)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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