天然氣計(jì)量與影響分析
1.差壓式流量計(jì)
在天然氣中使用的差壓式流量計(jì)主要是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。孔板流量計(jì)經(jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟，而且有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程支撐，在標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624－2006、GB/T21446－2008中對孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)要求等進(jìn)行了詳細(xì)描述。
1.1 孔板流量計(jì)的基本原理
根據(jù)能量守恒定律，在一定條件下動(dòng)壓能和靜壓能可以相互轉(zhuǎn)換，在安裝孔板的位置，流體通過孔板后流速加快，導(dǎo)致靜壓能降低，通過測量孔板前后的靜壓差就可推算出流體流量大小。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446－2008，其流量計(jì)算實(shí)用公式為：
式中：qvn—天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量；Avn—體積流量計(jì)量系數(shù)；C—流出系數(shù)；E—漸進(jìn)速度系數(shù)；d—孔板開孔直徑（mm）；FG—相對密度系數(shù)；ε—可膨脹系數(shù)；FZ—超壓縮系數(shù)；FT—流動(dòng)溫度系數(shù)；P1—孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對靜壓（MPa）；Δp—氣體流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的壓差（Pa）。
1.2 孔板流量計(jì)準(zhǔn)確性影響因素
為全面分析影響孔板流量計(jì)準(zhǔn)確性的影響因素，現(xiàn)主要從天然氣的流體特性、孔板流量計(jì)本身儀器性能、孔板流量計(jì)的安裝以及使用環(huán)境等多個(gè)方面進(jìn)行分析。
（1）天然氣本身流體特性影響計(jì)量的準(zhǔn)確度主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是天然氣本身的壓力和溫度會(huì)隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，從而導(dǎo)致過大的密度、壓縮系數(shù)以及粘度特性的變化，影響計(jì)量準(zhǔn)確性。另一方面天然氣含有雜質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)腐蝕儀器的接觸面，特別是對孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖涮和腐蝕，更是嚴(yán)重影響孔板計(jì)量的準(zhǔn)確性。
（2）孔板流量計(jì)本身性能引起的誤差主要有以下幾個(gè)方面：孔板入口直角銳利度；孔板厚度誤差；節(jié)流件不同軸度；取壓孔加工不規(guī)范或堵塞；孔板上游端面平度；取壓位置；引壓管位置偏低造成積液或引壓管過長等。
（3）孔板流量計(jì)因安裝不當(dāng)引進(jìn)的誤差主要表現(xiàn)在：管線布置偏離，直管段長度不符合GB/T21446－2008標(biāo)準(zhǔn)要求。溫度傳感器測溫元件插入位置不對，導(dǎo)致溫度計(jì)量誤差偏大。
（4）使用環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在環(huán)境溫度和濕度的變化，以及電磁干擾對電子元器件的影響。
2 速度式流量計(jì)
2.1 渦輪流量計(jì)的基本原理
渦輪流量計(jì)是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)，流體作用在軸向安裝的葉輪葉片上，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量的變化而變化，根據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)即可求出流量值，后通過電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備將渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)變化成電脈沖信號(hào)，經(jīng)二次儀表進(jìn)行計(jì)算和顯示。
流體在層流狀態(tài)時(shí)，流體的流動(dòng)阻力與流體粘度、流量成正比。流體的阻力矩逐漸增大，而機(jī)械阻力矩可以忽略不計(jì)，此時(shí)的儀表系數(shù)為：
式中：Z—渦輪葉片數(shù)目；θ—葉片與軸線夾角；r—葉片平均半徑；A—流通截面積；ρ—流體密度；μ—流體粘度；C1—常數(shù)。
流體在湍流狀態(tài)時(shí)，流體的流動(dòng)力矩與流量的平方、流體密度成正比。此時(shí)的儀表系數(shù)為：
式中：C2—常數(shù)。
從湍流狀態(tài)時(shí)的儀表系數(shù)可以看出，在這種情況下，儀表系數(shù)只與儀表結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體的特性無關(guān)，為一恒定常數(shù)。渦輪流量計(jì)就是根據(jù)這一區(qū)間內(nèi)來確定流量范圍。
2.2 渦輪流量計(jì)準(zhǔn)確性影響因素分析
流體特性、表計(jì)安裝工藝以及使用環(huán)境等都會(huì)對渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確性造成影響。
（1）關(guān)于流體特性的影響。一方面，從渦輪流量計(jì)的原理中可以看出，為使儀表達(dá)到佳的計(jì)量特性，應(yīng)使被測流體處于湍流狀態(tài)，只有在這種狀態(tài)下，儀表系數(shù)才不會(huì)跟隨流量的變化而變化。另一方面，流體的流速分布和旋渦流是影響其精確計(jì)量的主要因素，為此在配管時(shí)要求在流量計(jì)上游有15D以上的直管段，下游部分配置4D以上的直管段，目前實(shí)際使用中渦輪流量計(jì)通常自帶整流器，安裝時(shí)直管段可適當(dāng)縮短。
（2）渦輪流量計(jì)的機(jī)械阻力、部件尺寸等也會(huì)影響計(jì)量精度。由于被測流體不可避免的含有雜質(zhì)，會(huì)使渦輪軸承磨損、葉輪腐蝕或者卡死，導(dǎo)致機(jī)械阻力增大，部件尺寸變化影響精度，所以在現(xiàn)場使用時(shí)，需要在前端安裝過濾器。另外，渦輪流量計(jì)若長期超流量運(yùn)行，會(huì)造成軸承過度磨損，使儀表系數(shù)改變，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)。
3 容積式流量計(jì)
3.1 腰輪流量計(jì)的基本原理
當(dāng)流體流入流量計(jì)后，推動(dòng)計(jì)量室內(nèi)部上方的腰輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)下方的腰輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，上下腰輪交替旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)流體不斷地從計(jì)量室流出，流體排出量為4倍計(jì)量室有效容積。據(jù)此，腰輪每旋轉(zhuǎn)一次就有固定容積的流體排出，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)腰輪的動(dòng)作次數(shù)，即可求出通過流量計(jì)的體積流量。
腰輪流量計(jì)特性可用測量通過的體積誤差E描述，通常表示為：
式中：E—相對誤差；q—容室體積；α—齒輪比常數(shù)；ε—流體泄露量；Q—流體流量。
從體積誤差公式中可以看出，當(dāng)流體流量很小時(shí)有ε≈Q，流量計(jì)無法計(jì)數(shù)，測量誤差趨于無窮。當(dāng)流體流量增大時(shí)，由于進(jìn)出口的壓差也增大，泄露量也隨著增大，相應(yīng)地誤差E也增大。所以，在流體流量過小和過大時(shí)，腰輪流量計(jì)的誤差都變化很大，只有在一定的流量范圍內(nèi)使用時(shí)才能確保計(jì)量誤差的恒定。
3.2 腰輪流量計(jì)準(zhǔn)確性影響因素分析
（1）影響腰輪流量計(jì)準(zhǔn)確性的一個(gè)很重要因素就是流體的泄露量。泄露量是指從流量計(jì)入口流入后，從轉(zhuǎn)動(dòng)部件和外殼之間的間隙流出，沒有被計(jì)量到的量。它的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)部件和外殼間的間隙有直接關(guān)系，當(dāng)該間隙過大時(shí)，流量計(jì)的誤差穩(wěn)定段就會(huì)縮小，誤差增大，相反，流量計(jì)的誤差穩(wěn)定段會(huì)增長，誤差減小。所以在使用時(shí)，要綜合考慮被測流體的清潔度和測量誤差要求，選擇合適間隙的流量計(jì)。
（2）測量范圍的選擇。從圖1的誤差曲線可以看出，腰輪流量計(jì)只有在一定的范圍內(nèi)，其測量誤差才能保持一定，當(dāng)超出該范圍時(shí)，誤差將急劇增大。
4 流量計(jì)選型對測量精度的影響
流量計(jì)的選型不對將會(huì)影響測量的精度以及使用壽命，特別是當(dāng)流量計(jì)的口徑、規(guī)格、測量范圍選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成“大馬拉小車或小馬拉大車”的現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。所以在天然氣流量計(jì)的選用時(shí)，應(yīng)在了解各類型流量計(jì)計(jì)量原理和特性的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合不同的天然氣管路工況和用戶流量需求進(jìn)行綜合考慮。幾種常用天然氣流量計(jì)的特點(diǎn)和應(yīng)用場合如表1所示。
5 流量計(jì)安裝維護(hù)對測量精度的影響
在城市天然氣流量計(jì)使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)流量計(jì)卡死不過氣、過氣不計(jì)量等問題，這就會(huì)造成計(jì)量糾紛甚至安全事故，為了避免以上問題，保障流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確，就要把好流量計(jì)安裝關(guān)。包括安裝流量計(jì)前需要對管道進(jìn)行吹掃，防止焊縫、PE屑、管道粉塵等雜物進(jìn)入流量計(jì)。流量計(jì)前按要求安裝過濾器，定期對濾芯進(jìn)行清洗更換。渦輪流量計(jì)一般水平安裝，按說明書保證直管段要求，腰輪流量計(jì)一般垂直安裝，有利于腰輪流量計(jì)的自潔凈。在流量計(jì)的日常維護(hù)方面，包括對渦輪和腰輪流量計(jì)定期加油潤滑，對流量進(jìn)行監(jiān)控，防止長期超流量運(yùn)行，從而減緩軸承磨損；對流量計(jì)進(jìn)行定期巡檢，對比管道中壓力表和流量計(jì)壓力顯示是否有偏差；對比實(shí)際用氣情況和流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)是否一致；對流量計(jì)進(jìn)行周期檢定。
安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的流量計(jì)計(jì)量柜要做好接地保護(hù)，否則流量積算儀可能會(huì)出現(xiàn)不過氣走字或遇打雷天氣，積算儀黑屏等問題。
6 結(jié)束語
隨著城市天然氣不斷地發(fā)展，國家對節(jié)能減排和能源計(jì)量的重視，天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量將會(huì)變得越來越重要。根據(jù)各種不同類型流量計(jì)的準(zhǔn)確性影響因素分析，在實(shí)際選型、安裝、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)盡量減少不利因素的影響，從而提高終計(jì)量的準(zhǔn)確性。
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