摘(zhāi)要：氣體超聲流童(tóng)計 與 孔闆流量計(ji) 在天然氣工業中(zhong)應用的兩個主要(yào)方面流體流動💘特(tè)性對儀表性能的(de)影響和流童計的(de)幹校問題進行比(bǐ)較,分析它們存🏃🏻在(zài)的✊問題及發展前(qian)景。還對其它儀表(biao)性能進行了比😍較(jiao)。
　　90年代以來,氣體超(chāo)聲流量計在天然(rán)氣工業中的成功(gōng)🥰應用有突破性的(de)進展,一些天然氣(qì)流量計量的疑難(nan)問題可望獲得解(jie)決。據稱由于正确(que)率高和維修費用(yong)低,多聲道氣體超(chao)聲流量計已被氣(qì)體工業界接受。多(duo)🤩聲道氣體超聲流(liu)量✍️計是氣體渦輪(lún)流量🌈計後被氣體(tǐ)工業界接受的最(zui)重要的流量計量(liàng)器具。目前美國氣(qì)體協會(AGA)已經完成(chéng)AGAeReortNo.9“用超聲流量計測(cè)量氣體流量”草案(àn)閉。制定有關國家(jia)🙇🏻标準與國際标準(zhǔn)的準備工作正在(zài)進行。至今,已有12個(ge)國💃🏻家的政府機構(gou)批準氣體超聲流(liu)量計爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻法定計量(liang)器具國外📱天然氣(qi)工業在貿易輸送(sòng),氣體分配、調合、控(kòng)制和檢漏等方面(mian)都廣泛采用它🔞。對(duì)天然氣工業中傳(chuan)統的計量✉️儀表孔(kǒng)闆流量計與新型(xíng)的氣體超聲流量(liang)計在儀表性能的(de)兩個主要方面:流(liu)體流🔴動特性對儀(yí)表性能的影響和(he)流量計的幹校問(wen)題進行比較,分㊙️析(xī)它們存在的問題(ti)及發展前景。
流體(ti)流動特性對儀表(biǎo)性能的影響
　　孔闆(pǎn)流量計和氣體超(chāo)聲流量計都是對(duì)流體流動特性變(biàn)化敏感的儀表,如(ru)何消除不正常流(liú)動特性對儀表性(xìng)能的影響一直是(shì)這二類儀表的主(zhǔ)題之一。現在可以(yǐ)看🏃🏻到兩者解決此(ci)問題的方法有很(hen)大差别,在技術和(hé)經濟😄兩方面亦有(yǒu)不同有效果,分析(xī)它們的特點🙇🏻,對今(jīn)後流量計的發展(zhan)是有現實意義的(de)。
l孔闆流量計
　　本世(shì)紀20年代起人們就(jiù)對流體流動特性(xing)對儀表性能的影(yǐng)響進行過大量的(de)試驗研究,爲了準(zhǔn)備孔闆流量計AGA(美(měi)國氣體協會)報告(gào),從1924年到1935年美國進(jin)行過🔴10年試驗🍓研究(jiu),研究項日☎️多達14項(xiang),其中大部分是關(guān)于流體流動特性(xing)的影響試驗。幾乎(hū)同時歐洲亦進行(háng)同樣内容的孔闆(pan)流量計🌈試驗研究(jiū),這🧑🏾‍🤝‍🧑🏼些都爲制定節(jiē)流式差壓流量計(ji)國際标準奠定了(le)基礎。現在ISO5167中關于(yú)節流裝置上下遊(yóu)必要的最短直管(guǎn)段長度的規定就(jiù)是這些試驗研究(jiu)的總結,在各類流(liú)量計中它的數據(ju)是最具權威性的(de)。但是亦應看到,這(zhe)些規定不但在内(nèi)容上存在很大的(de)争議,而且在實際(jì)上也遠不能滿⭕足(zu)現場的需要。ISO5167第一(yi)版(1980年)投票表決通(tōng)過時,孔闆流量計(jì)資料主💘要提供國(guó)美國卻投了反對(duì)票,其原因之一就(jiù)是不同意标準中(zhōng)關🏃🏻于直管段長度(du)的規定。由此引發(fā)80年代歐洲和美國(guó)對孔闆流量計進(jin)行10餘年的大規模(mó)研究試驗,至今它(tā)已取得巨大的成(chéng)果,準備對ISO5167一1(1991年)[,〕進(jin)行修訂,修訂的主(zhu)要内容之一就是(shi)關于直管段長度(dù)的規定。
孔闆流量(liang)計爲解決此問題(ti)進行研究試驗有(yǒu)以下特點:
(l)确定幾(ji)種典型的阻流件(jiàn)類型(ISO5167中爲7種),進行(hang)各種口徑,b值,雷諾(nuo)數範圍的試驗,确(què)定在參比工作條(tiáo)件下🏒(充分發展管(guan)流)所需的最短直(zhí)管段長度。
(2)爲縮短(duan)必要的直管段長(zhang)度,在上遊側安裝(zhuang)流動調整器(整流(liú)器),開發出幾種類(lèi)型的流動調整器(qi)(ISO5167中爲🌂5種)。
(3)流動特性(xing)中關于非定常流(liu)(如脈動流)提出技(jì)術報💃告💜(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動💔流(liu)的抑制及誤差估(gu)計提供一些數據(jù)供使用參考。
盡管(guan)已經取得上述成(chéng)果,但是要應付現(xiàn)場的需要仍感很(hěn)不滿🔞足:
(l)現場的阻(zu)流件類型遠多于(yú)标準中提供的,并(bing)且阻流件💋之間的(de)組合形式層出不(bu)窮,因此現場總感(gan)覺有些問題有待(dai)解決,例如天然氣(qi)輸配氣計量站出(chū)現較普遍的旋風(fēng)分離器和彙管在(zai)标🔆準中就沒有規(gui)定。
(2)試驗研究需花(huā)費巨大的人力物(wu)力,一種類型阻流(liu)件需進行🛀🏻各種口(kǒu)徑的試驗,每種口(kou)徑有一系列的♋月(yuè)值❌,還有雷諾🌏數(流(liu)量)範🥵圍變化的試(shi)驗,可以想象,這種(zhǒng)排❌列組合🧡方式的(de)試驗工💁作量有多(duō)麽巨大,實在是不(bú)勝負擔的一項工(gōng)作。
(3)采用流動調整(zheng)器以縮短直管段(duan)長度不是一種好(hǎo)辦法🌈,它會帶來附(fù)加壓損,流體中雜(za)質易在其中堵塞(sāi),增加現場使用維(wei)護的工作量。
(4)非定(ding)常流的特例脈動(dong)流測量雖然有一(yī)個ISO技術報告(ISO/TR3313)可參(can)🐇考,但😍實際上孔闆(pan)流量計是不适合(hé)用于脈動流😍測量(liang)的,其♍原因是信号(hao)(差壓)與流量爲非(fei)線性關系(平方關(guan)系),引壓管線使信(xìn)🥵号遲滞及畸變,節(jiē)流件對脈動波産(chǎn)生障礙形成波的(de)反射等等。
2氣體超(chao)聲流量計
　　新型的(de)氣體超聲流量計(ji)采取多聲道配置(zhi)的方案來對付速(su)❌度分布畸變及旋(xuán)轉流等不正常流(liu)動特性的影響👄。例(li)如多聲道氣體超(chao)聲流量計,其工作(zuo)原理如圖l所示。流(liú)量計的檢測件是(shi)一個帶有5個超聲(shēng)通道(聲道)的圓形(xing)短管,這5個聲道是(shi)這樣組成的:采用(yong)2個具有二次反射(shè)的聲道和3個單反(fan)射聲道,它們♌組成(chéng)爲一個超🍉聲通道(dào)網絡,對整個管道(dao)橫截面積都能進(jin)行分析,在分析速(su)度分布畸變與旋(xuán)轉流對測量值影(yǐng)響的基礎⛱️上制定(dìng)儀表信号處理方(fāng)案。這種解決不正(zheng)常流動特性的方(fāng)♻️法有以下特點:
(l)氣(qì)體超聲流量計檢(jian)測件是一段無阻(zǔ)礙物的圓管,與孔(kǒng)闆流量計中有節(jie)流件阻礙相比對(dui)流動特性的影👨‍❤️‍👨響(xiang)較易分析。由于檢(jian)✊測件形狀的特殊(shu)性,而超聲流量計(jì)的檢測件是一段(duan)圓管,在流體力學(xue)專業㊙️資料中可以(yǐ)找到許多參考資(zi)料,因此二者處理(li)此問題所依靠的(de)背景資料有很大(dà)差别。
(2)氣體超聲流(liú)量計處理此問題(ti)是采取分析對象(xiàng),制定檢測策😄略的(de)方法,孔闆流量計(ji)則進行一個個阻(zu)流件試驗,無論💃技(jì)術上或經濟上其(qí)效率與效果都很(hen)不相⁉️同,氣體超聲(shēng)流量計的優點是(shi)顯然的。
(3)目前發展(zhǎn)多聲道檢測件隻(zhi)能在較大口徑(DN150以(yi)上)應❗用,今後中小(xiǎo)口徑如何解決相(xiang)信氣體超聲流量(liàng)計❄️是會找到解決(jué)辦法的。

　　流量(liang)計的幹校一一儀(yí)表系數的偏離問(wen)題對于大口徑(DN200以(yi)上)流🤞量測量來說(shuō),流量計能否實行(hang)幹校(無需實流校(xiào)驗)是推廣應用的(de)一個關鍵因素,某(mǒu)些情況下甚🔴至是(shi)用戶采用與否的(de)決定性因素。孔闆(pǎn)流🐪量計借助國際(ji)上長期的試驗研(yan)究及實踐經驗的(de)👅總結,早在30年代就(jiu)開始實行儀表的(de)幹校,這是它獲♈得(de)廣泛應用的重要(yao)原因。氣體🌈超聲流(liú)量計若要在天然(rán)氣工業輸配氣計(jì)量站得到廣泛應(yīng)用,幹校可能是一(yī)個必要條件,一般(ban)來說輸配氣計量(liang)站管線都是中大(da)♊口徑的。
　　幹校是儀(yi)表投用前确定流(liú)量計儀表系數(或(huò)流出系數)的一種(zhong)方法,但是更重要(yao)的是幹校确定的(de)儀表系數在現場(chǎng)是否适用✉️以及能(neng)否保持長期穩定(dìng)。
l孔闆流量計
　　孔闆(pǎn)流量計幹校後在(zài)現場使用時其流(liu)出系數可能☂️偏離(lí)标準值的影響因(yīn)素如表l所示。

由表(biao)可見:
(l)結構的偏離(lí)有些是制造時産(chǎn)生的,有些則是在(zai)長期使用中由⛱️于(yú)流體介質腐蝕、磨(mo)損、沽污等造成的(de),後者是更難解決(jué)的問題。
(2)管線布置(zhi)的偏離是普遍性(xing)的,現場不能滿足(zu)直管🏃‍♀️段長度🤩要求(qiu)配置流動調整器(qi)不是一個好辦法(fǎ),前🚶面已談過,除此(ci)以外,隻有增大測(ce)量誤差了。
(3)使用的(de)偏離,現場情況千(qiān)變萬化,很難維持(chí)實驗室的參比工(gong)作🌂條件,這是現實(shí)情況。對于天然氣(qi)工業在原料氣測(cè)量📧領域(氣井到處(chù)理廠之間的天然(rán)氣),這一問題更爲(wei)🈲突出,孔闆流量計(jì)在此⛱️領域基本上(shang)🌈是不适用㊙️的。
　　我國(guó)制定的天然氣行(hang)業标準SY/T6143一1996《天然氣(qì)流量的标⛱️準孔闆(pan)計量方法)中特别(bie)增加一個附錄(節(jie)流裝置🔞在使用中(zhong)出現部分偏離标(biao)準規定的處理》說(shuo)明天然氣從地層(ceng)中開采出來,雖經(jīng)分離,除塵和過濾(lǜ),因其所含成份十(shi)分複雜,從單井計(ji)量,集氣計量到配(pei)氣計量,氣質組分(fèn)各不相🌈同,所以節(jie)流裝置在作用中(zhōng)其沖刷、腐蝕亦各(ge)不相同,特别對孔(kong)闆直角人口邊緣(yuán)和測🙇‍♀️量管内壁的(de)沖刷腐蝕尤爲嚴(yán)重,因此在實📱際應(ying)用中采取在流出(chu)系數中增加㊙️二個(ge)修正系數,即孔闆(pan)人口尖銳度😘修正(zhèng)系數和管壁粗糙(cāo)度修❄️正系數。這種(zhong)解決辦法實在是(shi)不得已而❗爲之,其(qi)效♈果并不理想。
　　孔(kǒng)闆流量計易于偏(pian)離标準的原因應(ying)該從儀表本身的(de)工作原理與結構(gou)特點去尋找。由于(yu)儀表特性💚取決于(yu)節流裝置的幾何(he)形狀及尺寸,現場(chang)的長期應用難免(mian)不産⛱️生磨損☀️、腐蝕(shí)和積垢等使幾何(he)形狀及尺寸改💃變(biàn)的情況,引壓管線(xiàn)是孔闆流量計易(yi)發生故障的部件(jian),據統計由于引壓(yā)管線堵塞、洩漏、凍(dòng)結等使信号不正(zhèng)常約占儀表⁉️故障(zhàng)率的70%,其他🥰如不正(zhèng)常流動🈲特性引⛱️起(qi)的測量誤差隻能(néng)采取一些消極的(de)辦法解決。
氣體超(chāo)聲流量計
　　氣體超(chāo)聲流量計目前尚(shàng)未普遍實行幹校(xiào),但從儀表工作原(yuán)🐆理及結構上看實(shí)行幹校是可能的(de)困,隻是目前成熟(shú)程度(幹樣的必要(yao)條件)尚不能與孔(kong)闆流量計相比,隻(zhī)要加強理論探讨(tao)積累✂️實踐經驗,實(shi)♌行幹校隻是時間(jian)上的問題。
以下我(wǒ)們來探讨一下幹(gàn)校後會不會出現(xian)與孔闆流量計一(yī)樣的問題,這是更(gèng)爲重要的方面。
氣(qì)體超聲流量計的(de)流量方程。

式中
qv—體(tǐ)積流量;
L—超聲波在(zài)流體中的傳播路(lù)徑長度(聲道長度(du));
A—管道橫截面面積(jī);
Ψ—超聲波傳播方向(xiang)與流體流向之間(jian)的夾角(聲道角💯);
tab—超(chāo)聲波從換能器a到(dào)換能器b的傳播時(shi)間;
t、—超聲波從換能(néng)器b到換能器a的傳(chuan)播時間;
K—儀表系數(shu)。
　　由式(l)可見,體積流(liu)量的測量準确度(dù)決定于3部分:時間(jian)差,結👄構參數L,A, Ψ等的(de)測量誤差和儀表(biao)系數K的準确度。
(l)與(yu)孔闆流量計相比(bi)較,氣體超聲流量(liàng)計沒有如節流裝(zhuang)⚽置幾🚶‍♀️何形狀及尺(chǐ)寸變化影響儀表(biao)特性的問題,聲道(dao)長度,聲道角及管(guan)道橫截面面積是(shi)比較恒定的參數(shù),亦沒有引壓🚶管線(xian)之類易引起故障(zhang)的部件,根據現💋場(chǎng)條件确定儀表系(xi)數及維持長期穩(wěn)定是比較可能的(de)。
(2)解決速度分布畸(ji)變與旋轉流的方(fang)法與孔闆流量♋計(ji)不同,沒有阻流件(jian)對号人坐的問題(ti),亦不采用會引起(qi)👨‍❤️‍👨副作⚽用的流動調(diào)整器,它是從聲道(dao)設置方案人手,更(gèng)着重于💁軟測量方(fang)法解決問題,便于(yú)應付現🙇🏻場複雜多(duō)🔞變的條件。
(3)對非定(dìng)常流測量,氣體超(chao)聲流量計是完全(quan)适合的,其原因由(you)儀表工作原理與(yu)結構所決定:①信号(hào)與流量(流速)爲線(xiàn)性關系🐆;②檢測件内(nei)無阻礙物;③非接觸(chù)測量;④測量采用高(gao)♊速數字㊙️信号處理(li)技術。這些特點使(shi)它可以快速響應(yīng)流體流動的動态(tai)變化。
其他儀表性(xing)能的比較
1範圍度(dù)
　　孔闆流量計範圍(wéi)度窄(約爲3:1一4:1),近年(nián)來雖從多方面👨‍❤️‍👨采(cai)取㊙️措施⁉️拓👨‍❤️‍👨寬其範(fàn)圍度,如采用寬量(liàng)程差壓變送✏️器,多(duo)台差壓變送器并(bìng)聯使用,采用可換(huàn)孔闆節流裝置以(yǐ)及智能流量顯示(shi)儀等等,但與氣體(ti)超聲流量計相比(bǐ)未免遜色。氣體超(chao)聲流量計範💃圍度(du)可達🛀🏻40:1(DN150)一160:l(DN75O),在實際使(shi)用中流量計可測(cè)流量(流🏃🏻速)下限值(zhí)是🍉一個更重要的(de)指标,我國大口徑(jìng)氣體管道系統普(pu)♉遍運行低🤟流速範(fan)圍(流速上限值僅(jin)5m/s,或更低),使得流量(liang)計選型困難。氣體(ti)🔞超聲流量計下限(xian)流速偏差如表2所(suǒ)示。
　　如管徑爲DN125時,測(ce)量誤差爲1%,則下限(xian)流速可達:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管徑爲(wei)DN1600時🏃🏻‍♂️,測量誤差爲l%,則(zé)下限流速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.

　　據(jù)資料介紹,在天然(rán)氣輸配氣計量站(zhan)中,一座用孔闆流(liu)量🛀🏻計做爲計量儀(yí)表的計量站,爲滿(mǎn)足範圍度的要求(qiu),需設置4條DN400mm管線,如(rú)采用氣體超聲流(liu)量計則隻需設置(zhì)2條DN600mm管🔴線或一條ND700mm管(guǎn)線,這樣采用氣體(ti)超聲流量計可節(jie)省一次性投資10一(yī)40%,節省占地空間50一(yi)75%,并且精度更高,工(gong)作更穩定,維護量(liàng)更少。
2壓力損失
　　孔(kǒng)闆流量計以壓損(sǔn)大著稱,而氣體超(chao)聲流量計恰是無(wú)壓損(僅相當于一(yī)段管道)儀表,對于(yu)大口徑,這個特點(diǎn)很重要,它可以節(jiē)約能耗或适用于(yú)低靜壓氣體管道(dao)系統的測量。
3儀表(biao)造價
　　對于孔闆流(liú)量計随着口徑增(zeng)大,檢測件造價及(jí)安裝成本大幅度(dù)提高,而氣體超聲(sheng)流量計的檢測件(jian)制造成本與口💃🏻徑(jìng)大小的關系僅相(xiang)當于管道價值的(de)增加,因此它✌️是一(yī)種❤️特别适用于大(dà)口徑的儀表。
4使用(yòng)維護
　　孔闆流量計(ji)由3部分組成:節流(liu)裝置、 差壓變送器(qi) 和流量顯示儀。在(zài)現場惡劣工作條(tiao)件作用下節流裝(zhuang)置與差壓變送器(qi)及其連接部分引(yǐn)壓管線是使用維(wéi)護的重點,天然🛀氣(qi)輸配氣計量站爲(wei)經常檢查🙇‍♀️孔闆的(de)質量,常增設旁路(lù)管或采用價格昂(ang)貴的可🐕換孔闆節(jiē)流裝置,這些都使(shi)儀表及其輔助設(shè)備造💘價增加,也增(zeng)加了維護工作量(liang)。氣體超♌聲流量計(ji)檢🌈測件比較牢固(gù),維護工作量少㊙️,甚(shèn)至可做成插人式(shi)探頭,在不斷流情(qing)況下取出維修。
　　氣(qi)體超聲流量計與(yǔ)孔闆流量計在天(tian)然氣工業中的☔應(yīng)用進行一些比較(jiào),由上述可見,在大(dà)口徑測量方面,氣(qi)體超聲流量計無(wú)疑更爲優越。孔闆(pǎn)流量計畢竟已📐經(jing)發展數十年☎️至上(shàng)百年曆史,全世界(jiè)流量工作者都🔞對(duì)它進行過巨大的(de)理論與實✔️踐工作(zuò),取得極爲豐富的(de)經驗,相比之下,氣(qì)體超聲流量計僅(jin)剛嶄露頭角,尚需(xu)通過實踐走🔞向成(cheng)熟,至于中小口徑(jing)方面,需作更多的(de)工作。

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