摘要：氣體超聲流童計(jì)與孔板流量計(jì)在天然氣工業(yè)中應(yīng)用的兩個(gè)主要方面流體流動(dòng)特性對(duì)儀表性能的影響和流童計(jì)的干校問(wèn)題進(jìn)行比較,分析它們存在的問(wèn)題及發(fā)展前景。還對(duì)其它儀表性能進(jìn)行了比較。
90年代以來(lái),氣體超聲流量計(jì)在天然氣工業(yè)中的成功應(yīng)用有突破性的進(jìn)展,一些天然氣流量計(jì)量的疑難問(wèn)題可望獲得解決。據(jù)稱由于正確率高和維修費(fèi)用低,多聲道氣體超聲流量計(jì)已被氣體工業(yè)界接受。多聲道氣體超聲流量計(jì)是氣體渦輪流量計(jì)后被氣體工業(yè)界接受的最重要的流量計(jì)量器具。目前美國(guó)氣體協(xié)會(huì)(AGA)已經(jīng)完成AGAeReortNo.9“用超聲流量計(jì)測(cè)量氣體流量”草案閉。制定有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行。至今,已有12個(gè)國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)氣體超聲流量計(jì)為法定計(jì)量器具國(guó)外天然氣工業(yè)在貿(mào)易輸送,氣體分配、調(diào)合、控制和檢漏等方面都廣泛采用它。對(duì)天然氣工業(yè)中傳統(tǒng)的計(jì)量?jī)x表孔板流量計(jì)與新型的氣體超聲流量計(jì)在儀表性能的兩個(gè)主要方面:流體流動(dòng)特性對(duì)儀表性能的影響和流量計(jì)的干校問(wèn)題進(jìn)行比較,分析它們存在的問(wèn)題及發(fā)展前景。
流體流動(dòng)特性對(duì)儀表性能的影響
孔板流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)都是對(duì)流體流動(dòng)特性變化敏感的儀表,如何消除不正常流動(dòng)特性對(duì)儀表性能的影響一直是這二類儀表的主題之一�，F(xiàn)在可以看到兩者解決此問(wèn)題的方法有很大差別,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面亦有不同有效果,分析它們的特點(diǎn),對(duì)今后流量計(jì)的發(fā)展是有現(xiàn)實(shí)意義的。
l孔板流量計(jì)
本世紀(jì)20年代起人們就對(duì)流體流動(dòng)特性對(duì)儀表性能的影響進(jìn)行過(guò)大量的試驗(yàn)研究,為了準(zhǔn)備孔板流量計(jì)AGA(美國(guó)氣體協(xié)會(huì))報(bào)告,從1924年到1935年美國(guó)進(jìn)行過(guò)10年試驗(yàn)研究,研究項(xiàng)日多達(dá)14項(xiàng),其中大部分是關(guān)于流體流動(dòng)特性的影響試驗(yàn)。幾乎同時(shí)歐洲亦進(jìn)行同樣內(nèi)容的孔板流量計(jì)試驗(yàn)研究,這些都為制定節(jié)流式差壓流量計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)�，F(xiàn)在ISO5167中關(guān)于節(jié)流裝置上下游必要的最短直管段長(zhǎng)度的規(guī)定就是這些試驗(yàn)研究的總結(jié),在各類流量計(jì)中它的數(shù)據(jù)是最具權(quán)威性的。但是亦應(yīng)看到,這些規(guī)定不但在內(nèi)容上存在很大的爭(zhēng)議,而且在實(shí)際上也遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。ISO5167第一版(1980年)投票表決通過(guò)時(shí),孔板流量計(jì)資料主要提供國(guó)美國(guó)卻投了反對(duì)票,其原因之一就是不同意標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于直管段長(zhǎng)度的規(guī)定。由此引發(fā)80年代歐洲和美國(guó)對(duì)孔板流量計(jì)進(jìn)行10余年的大規(guī)模研究試驗(yàn),至今它已取得巨大的成果,準(zhǔn)備對(duì)ISO5167一1(1991年)[,〕進(jìn)行修訂,修訂的主要內(nèi)容之一就是關(guān)于直管段長(zhǎng)度的規(guī)定。
孔板流量計(jì)為解決此問(wèn)題進(jìn)行研究試驗(yàn)有以下特點(diǎn):
(l)確定幾種典型的阻流件類型(ISO5167中為7種),進(jìn)行各種口徑,b值,雷諾數(shù)范圍的試驗(yàn),確定在參比工作條件下(充分發(fā)展管流)所需的最短直管段長(zhǎng)度。
(2)為縮短必要的直管段長(zhǎng)度,在上游側(cè)安裝流動(dòng)調(diào)整器(整流器),開(kāi)發(fā)出幾種類型的流動(dòng)調(diào)整器(ISO5167中為5種)。
(3)流動(dòng)特性中關(guān)于非定常流(如脈動(dòng)流)提出技術(shù)報(bào)告(ISO5167/TR3313)〔’〕,對(duì)脈動(dòng)流的抑制及誤差估計(jì)提供一些數(shù)據(jù)供使用參考。
盡管已經(jīng)取得上述成果,但是要應(yīng)付現(xiàn)場(chǎng)的需要仍感很不滿足:
(l)現(xiàn)場(chǎng)的阻流件類型遠(yuǎn)多于標(biāo)準(zhǔn)中提供的,并且阻流件之間的組合形式層出不窮,因此現(xiàn)場(chǎng)總感覺(jué)有些問(wèn)題有待解決,例如天然氣輸配氣計(jì)量站出現(xiàn)較普遍的旋風(fēng)分離器和匯管在標(biāo)準(zhǔn)中就沒(méi)有規(guī)定。
(2)試驗(yàn)研究需花費(fèi)巨大的人力物力,一種類型阻流件需進(jìn)行各種口徑的試驗(yàn),每種口徑有一系列的月值,還有雷諾數(shù)(流量)范圍變化的試驗(yàn),可以想象,這種排列組合方式的試驗(yàn)工作量有多么巨大,實(shí)在是不勝負(fù)擔(dān)的一項(xiàng)工作。
(3)采用流動(dòng)調(diào)整器以縮短直管段長(zhǎng)度不是一種好辦法,它會(huì)帶來(lái)附加壓損,流體中雜質(zhì)易在其中堵塞,增加現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)的工作量。
(4)非定常流的特例脈動(dòng)流測(cè)量雖然有一個(gè)ISO技術(shù)報(bào)告(ISO/TR3313)可參考,但實(shí)際上孔板流量計(jì)是不適合用于脈動(dòng)流測(cè)量的,其原因是信號(hào)(差壓)與流量為非線性關(guān)系(平方關(guān)系),引壓管線使信號(hào)遲滯及畸變,節(jié)流件對(duì)脈動(dòng)波產(chǎn)生障礙形成波的反射等等。
2氣體超聲流量計(jì)
新型的氣體超聲流量計(jì)采取多聲道配置的方案來(lái)對(duì)付速度分布畸變及旋轉(zhuǎn)流等不正常流動(dòng)特性的影響。例如多聲道氣體超聲流量計(jì),其工作原理如圖l所示。流量計(jì)的檢測(cè)件是一個(gè)帶有5個(gè)超聲通道(聲道)的圓形短管,這5個(gè)聲道是這樣組成的:采用2個(gè)具有二次反射的聲道和3個(gè)單反射聲道,它們組成為一個(gè)超聲通道網(wǎng)絡(luò),對(duì)整個(gè)管道橫截面積都能進(jìn)行分析,在分析速度分布畸變與旋轉(zhuǎn)流對(duì)測(cè)量值影響的基礎(chǔ)上制定儀表信號(hào)處理方案。這種解決不正常流動(dòng)特性的方法有以下特點(diǎn):
(l)氣體超聲流量計(jì)檢測(cè)件是一段無(wú)阻礙物的圓管,與孔板流量計(jì)中有節(jié)流件阻礙相比對(duì)流動(dòng)特性的影響較易分析。由于檢測(cè)件形狀的特殊性,而超聲流量計(jì)的檢測(cè)件是一段圓管,在流體力學(xué)專業(yè)資料中可以找到許多參考資料,因此二者處理此問(wèn)題所依靠的背景資料有很大差別。
(2)氣體超聲流量計(jì)處理此問(wèn)題是采取分析對(duì)象,制定檢測(cè)策略的方法,孔板流量計(jì)則進(jìn)行一個(gè)個(gè)阻流件試驗(yàn),無(wú)論技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上其效率與效果都很不相同,氣體超聲流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是顯然的。
(3)目前發(fā)展多聲道檢測(cè)件只能在較大口徑(DN150以上)應(yīng)用,今后中小口徑如何解決相信氣體超聲流量計(jì)是會(huì)找到解決辦法的。
流量計(jì)的干校一一儀表系數(shù)的偏離問(wèn)題對(duì)于大口徑(DN200以上)流量測(cè)量來(lái)說(shuō),流量計(jì)能否實(shí)行干校(無(wú)需實(shí)流校驗(yàn))是推廣應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素,某些情況下甚至是用戶采用與否的決定性因素�？装辶髁坑�(jì)借助國(guó)際上長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),早在30年代就開(kāi)始實(shí)行儀表的干校,這是它獲得廣泛應(yīng)用的重要原因。氣體超聲流量計(jì)若要在天然氣工業(yè)輸配氣計(jì)量站得到廣泛應(yīng)用,干�？赡苁且粋�(gè)必要條件,一般來(lái)說(shuō)輸配氣計(jì)量站管線都是中大口徑的。
干校是儀表投用前確定流量計(jì)儀表系數(shù)(或流出系數(shù))的一種方法,但是更重要的是干校確定的儀表系數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)是否適用以及能否保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。
l孔板流量計(jì)
孔板流量計(jì)干校后在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)其流出系數(shù)可能偏離標(biāo)準(zhǔn)值的影響因素如表l所示。
由表可見(jiàn):
(l)結(jié)構(gòu)的偏離有些是制造時(shí)產(chǎn)生的,有些則是在長(zhǎng)期使用中由于流體介質(zhì)腐蝕、磨損、沽污等造成的,后者是更難解決的問(wèn)題。
(2)管線布置的偏離是普遍性的,現(xiàn)場(chǎng)不能滿足直管段長(zhǎng)度要求配置流動(dòng)調(diào)整器不是一個(gè)好辦法,前面已談過(guò),除此以外,只有增大測(cè)量誤差了。
(3)使用的偏離,現(xiàn)場(chǎng)情況千變?nèi)f化,很難維持實(shí)驗(yàn)室的參比工作條件,這是現(xiàn)實(shí)情況。對(duì)于天然氣工業(yè)在原料氣測(cè)量領(lǐng)域(氣井到處理廠之間的天然氣),這一問(wèn)題更為突出,孔板流量計(jì)在此領(lǐng)域基本上是不適用的。
我國(guó)制定的天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143一1996《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法)中特別增加一個(gè)附錄(節(jié)流裝置在使用中出現(xiàn)部分偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理》說(shuō)明天然氣從地層中開(kāi)采出來(lái),雖經(jīng)分離,除塵和過(guò)濾,因其所含成份十分復(fù)雜,從單井計(jì)量,集氣計(jì)量到配氣計(jì)量,氣質(zhì)組分各不相同,所以節(jié)流裝置在作用中其沖刷、腐蝕亦各不相同,特別對(duì)孔板直角人口邊緣和測(cè)量管內(nèi)壁的沖刷腐蝕尤為嚴(yán)重,因此在實(shí)際應(yīng)用中采取在流出系數(shù)中增加二個(gè)修正系數(shù),即孔板人口尖銳度修正系數(shù)和管壁粗糙度修正系數(shù)。這種解決辦法實(shí)在是不得已而為之,其效果并不理想。
孔板流量計(jì)易于偏離標(biāo)準(zhǔn)的原因應(yīng)該從儀表本身的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)去尋找。由于儀表特性取決于節(jié)流裝置的幾何形狀及尺寸,現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期應(yīng)用難免不產(chǎn)生磨損、腐蝕和積垢等使幾何形狀及尺寸改變的情況,引壓管線是孔板流量計(jì)易發(fā)生故障的部件,據(jù)統(tǒng)計(jì)由于引壓管線堵塞、泄漏、凍結(jié)等使信號(hào)不正常約占儀表故障率的70%,其他如不正常流動(dòng)特性引起的測(cè)量誤差只能采取一些消極的辦法解決。
氣體超聲流量計(jì)
氣體超聲流量計(jì)目前尚未普遍實(shí)行干校,但從儀表工作原理及結(jié)構(gòu)上看實(shí)行干校是可能的困,只是目前成熟程度(干樣的必要條件)尚不能與孔板流量計(jì)相比,只要加強(qiáng)理論探討積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),實(shí)行干校只是時(shí)間上的問(wèn)題。
以下我們來(lái)探討一下干校后會(huì)不會(huì)出現(xiàn)與孔板流量計(jì)一樣的問(wèn)題,這是更為重要的方面。
氣體超聲流量計(jì)的流量方程。
式中
qv—體積流量;
L—超聲波在流體中的傳播路徑長(zhǎng)度(聲道長(zhǎng)度);
A—管道橫截面面積;
Ψ—超聲波傳播方向與流體流向之間的夾角(聲道角);
tab—超聲波從換能器a到換能器b的傳播時(shí)間;
t、—超聲波從換能器b到換能器a的傳播時(shí)間;
K—儀表系數(shù)。
由式(l)可見(jiàn),體積流量的測(cè)量準(zhǔn)確度決定于3部分:時(shí)間差,結(jié)構(gòu)參數(shù)L,A, Ψ等的測(cè)量誤差和儀表系數(shù)K的準(zhǔn)確度。
(l)與孔板流量計(jì)相比較,氣體超聲流量計(jì)沒(méi)有如節(jié)流裝置幾何形狀及尺寸變化影響儀表特性的問(wèn)題,聲道長(zhǎng)度,聲道角及管道橫截面面積是比較恒定的參數(shù),亦沒(méi)有引壓管線之類易引起故障的部件,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定儀表系數(shù)及維持長(zhǎng)期穩(wěn)定是比較可能的。
(2)解決速度分布畸變與旋轉(zhuǎn)流的方法與孔板流量計(jì)不同,沒(méi)有阻流件對(duì)號(hào)人坐的問(wèn)題,亦不采用會(huì)引起副作用的流動(dòng)調(diào)整器,它是從聲道設(shè)置方案人手,更著重于軟測(cè)量方法解決問(wèn)題,便于應(yīng)付現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的條件。
(3)對(duì)非定常流測(cè)量,氣體超聲流量計(jì)是完全適合的,其原因由儀表工作原理與結(jié)構(gòu)所決定:①信號(hào)與流量(流速)為線性關(guān)系;②檢測(cè)件內(nèi)無(wú)阻礙物;③非接觸測(cè)量;④測(cè)量采用高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。這些特點(diǎn)使它可以快速響應(yīng)流體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。
其他儀表性能的比較
1范圍度
孔板流量計(jì)范圍度窄(約為3:1一4:1),近年來(lái)雖從多方面采取措施拓寬其范圍度,如采用寬量程差壓變送器,多臺(tái)差壓變送器并聯(lián)使用,采用可換孔板節(jié)流裝置以及智能流量顯示儀等等,但與氣體超聲流量計(jì)相比未免遜色。氣體超聲流量計(jì)范圍度可達(dá)40:1(DN150)一160:l(DN75O),在實(shí)際使用中流量計(jì)可測(cè)流量(流速)下限值是一個(gè)更重要的指標(biāo),我國(guó)大口徑氣體管道系統(tǒng)普遍運(yùn)行低流速范圍(流速上限值僅5m/s,或更低),使得流量計(jì)選型困難。氣體超聲流量計(jì)下限流速偏差如表2所示。
如管徑為DN125時(shí),測(cè)量誤差為1%,則下限流速可達(dá):Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管徑為DN1600時(shí),測(cè)量誤差為l%,則下限流速可達(dá):Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.
據(jù)資料介紹,在天然氣輸配氣計(jì)量站中,一座用孔板流量計(jì)做為計(jì)量?jī)x表的計(jì)量站,為滿足范圍度的要求,需設(shè)置4條DN400mm管線,如采用氣體超聲流量計(jì)則只需設(shè)置2條DN600mm管線或一條ND700mm管線,這樣采用氣體超聲流量計(jì)可節(jié)省一次性投資10一40%,節(jié)省占地空間50一75%,并且精度更高,工作更穩(wěn)定,維護(hù)量更少。
2壓力損失
孔板流量計(jì)以壓損大著稱,而氣體超聲流量計(jì)恰是無(wú)壓損(僅相當(dāng)于一段管道)儀表,對(duì)于大口徑,這個(gè)特點(diǎn)很重要,它可以節(jié)約能耗或適用于低靜壓氣體管道系統(tǒng)的測(cè)量。
3儀表造價(jià)
對(duì)于孔板流量計(jì)隨著口徑增大,檢測(cè)件造價(jià)及安裝成本大幅度提高,而氣體超聲流量計(jì)的檢測(cè)件制造成本與口徑大小的關(guān)系僅相當(dāng)于管道價(jià)值的增加,因此它是一種特別適用于大口徑的儀表。
4使用維護(hù)
孔板流量計(jì)由3部分組成:節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀。在現(xiàn)場(chǎng)惡劣工作條件作用下節(jié)流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線是使用維護(hù)的重點(diǎn),天然氣輸配氣計(jì)量站為經(jīng)常檢查孔板的質(zhì)量,常增設(shè)旁路管或采用價(jià)格昂貴的可換孔板節(jié)流裝置,這些都使儀表及其輔助設(shè)備造價(jià)增加,也增加了維護(hù)工作量。氣體超聲流量計(jì)檢測(cè)件比較牢固,維護(hù)工作量少,甚至可做成插人式探頭,在不斷流情況下取出維修。
氣體超聲流量計(jì)與孔板流量計(jì)在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行一些比較,由上述可見(jiàn),在大口徑測(cè)量方面,氣體超聲流量計(jì)無(wú)疑更為優(yōu)越。孔板流量計(jì)畢竟已經(jīng)發(fā)展數(shù)十年至上百年歷史,全世界流量工作者都對(duì)它進(jìn)行過(guò)巨大的理論與實(shí)踐工作,取得極為豐富的經(jīng)驗(yàn),相比之下,氣體超聲流量計(jì)僅剛嶄露頭角,尚需通過(guò)實(shí)踐走向成熟,至于中小口徑方面,需作更多的工作。
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