摘(zhai)要：氣體超聲(sheng)流童計 與 孔(kǒng)闆流量計 在(zai)天然氣工業(yè)中應用的兩(liǎng)個主要方面(miàn)流體流動😍特(tè)🔞性對儀表性(xing)能的影響和(he)流童計的幹(gan)校問題進行(hang)比較,分析它(tā)們存🏃‍♀️在的問(wèn)題及發展前(qián)景。還對其它(ta)儀表性能進(jìn)😍行了比🈚較。
　　90年(nián)代以來,氣體(ti)超聲流量計(jì)在天然氣工(gong)業中的成功(gōng)應用有突破(pò)性的進展,一(yī)些天然氣流(liu)量計量的疑(yi)難問題可望(wang)獲得解決。據(jù)稱由于正确(què)率高和維修(xiū)費用低,多聲(sheng)道氣體🔞超聲(sheng)流量計已被(bèi)氣體工業界(jiè)接受。多💰聲道(dao)氣體超聲流(liu)量🙇‍♀️計是氣體(ti)🥰渦輪流量計(jì)後被氣體工(gong)業界接受的(de)最重要的流(liú)量計量器具(ju)。目前美國氣(qì)體協會(AGA)已經(jīng)完成AGAeReortNo.9“用超聲(sheng)流量計測量(liang)氣體流量”草(cao)案閉。制定有(yǒu)關國家标準(zhǔn)與國際标準(zhun)的準備工作(zuo)正在📐進行。至(zhi)今,已有12個國(guó)家的政府機(ji)構批準氣體(tǐ)超聲流量計(jì)爲法定計量(liang)器具國外👌天(tian)然氣工業在(zai)貿易輸送,氣(qì)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(yè)中傳統的計(jì)量儀表孔闆(pǎn)流量計與🍓新(xin)型的氣體超(chao)聲流量計在(zài)儀表性能的(de)兩個主要方(fāng)面:流體流動(dòng)特性對儀表(biǎo)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(yí)表性能的影(yǐng)響
　　孔闆流量(liang)計和氣體超(chāo)聲流量計都(dou)是對流體流(liú)動特性變化(hua)敏感的儀表(biao),如何消除不(bu)正常流動特(tè)性💋對儀🆚表性(xìng)能的影響一(yi)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(ti)的方法有很(hen)大👨‍❤️‍👨差别,在技(ji)術和經濟兩(liang)方面亦有不(bu)同有效果,分(fèn)析💰它們的特(tè)點,對今後流(liú)量計的發展(zhan)是有現實意(yi)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(ying)響進行過大(dà)量的試驗研(yan)究,爲了準備(bèi)孔闆流量計(ji)AGA(美國氣體協(xie)會)報告,從1924年(nian)到1935年美國進(jìn)行過10年試驗(yan)研究,研究項(xiàng)日多達14項,其(qi)中大部分是(shì)關于流體流(liu)動🤟特性的影(yǐng)響試驗。幾乎(hū)同時歐洲亦(yì)進行🐇同樣内(nei)容的孔闆流(liú)量計試驗研(yan)究,這些都爲(wèi)制定節流式(shi)差壓🔱流量計(jì)國際标準奠(dian)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(zhǎng)度的規定就(jiù)是這些試驗(yan)👈研究的總結(jie),在各👄類流量(liàng)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(dàn)在内容上存(cun)在很大的争(zhēng)議,而且在實(shi)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(biǎo)決通過時,孔(kong)闆流量計資(zi)料主要提🔴供(gong)🧡國美國卻投(tou)了反對票,其(qí)原因之一就(jiu)是不同意标(biao)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻準中關于直(zhí)管段🌍長度的(de)規定。由此引(yǐn)發80年代歐洲(zhōu)和美國對孔(kong)闆流量計進(jin)行10餘年的大(dà)規模研究🌂試(shi)驗,至今它已(yi)取得巨大的(de)成果,準備對(duì)ISO5167一1(1991年)[,〕進行修(xiu)訂,修訂🏃‍♀️的主(zhǔ)要内容之一(yi)就是關于直(zhí)管段長度的(de)規定。
孔闆流(liu)量計爲解決(jue)此問題進行(hang)研究試驗有(you)以下特點:
(l)确(què)定幾種典型(xíng)的阻流件類(lei)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(gong)作條件下(充(chong)分發展管流(liu))所需🔞的最♻️短(duǎn)直管段長度(du)。
(2)爲縮短必要(yào)的直管段長(zhǎng)度,在上遊側(cè)安裝流動調(diào)🏃‍♀️整器(整流🏃‍♂️器(qi)),開發出幾種(zhǒng)類型的流動(dòng)調整器(ISO5167中爲(wei)5種)。
(3)流動特性(xing)中關于非定(dìng)常流(如脈動(dong)流)提出技術(shù)報告(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動(dòng)流的抑制及(ji)誤差估計提(tí)供一些數據(jù)供使用參考(kao)。
盡管已經取(qǔ)得上述成果(guǒ),但是要應付(fu)現場的需要(yào)😄仍感很不🔆滿(mǎn)足:
(l)現場的阻(zu)流件類型遠(yuan)多于标準中(zhōng)提供的,并且(qie)阻流件之間(jian)㊙️的組合形式(shì)層出不窮,因(yin)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(biàn)的旋風分離(li)器和彙管在(zài)标準中就沒(méi)有規定。
(2)試驗(yàn)研究需花費(fèi)巨大的人力(li)物力,一種類(lèi)型阻流✉️件需(xū)進行各種口(kǒu)徑的試驗,每(mei)種口徑有一(yi)系列的月值(zhi),還有雷諾數(shu)(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(shì)不勝負擔的(de)一項工作。
(3)采(cǎi)用流動調整(zheng)器以縮短直(zhi)管段長度不(bú)是一種好辦(ban)法,它🧑🏽‍🤝‍🧑🏻會帶來(lái)附加壓損,流(liú)體中雜質易(yì)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(sui)然有一個ISO技(jì)術報告(ISO/TR3313)可參(can)考💋,但實際上(shàng)孔闆流量計(jì)是不适合用(yòng)于脈🐉動流測(ce)量的,其原因(yin)是信✨号(差壓(yā))與流量爲非(fei)線性關系(平(píng)方關系),引壓(yā)管🥵線使信号(hao)遲滞及畸變(bian),節流件對脈(mo)動🌈波産生障(zhàng)礙形成波的(de)反射等等。
2氣(qì)體超聲流量(liang)計
　　新型的氣(qi)體超聲流量(liang)計采取多聲(sheng)道配置的方(fāng)案來對付💛速(sù)度分布畸變(biàn)及旋轉流等(děng)不正常流動(dong)特性的影響(xiǎng)。例如多聲道(dào)氣體超聲流(liu)量計,其工作(zuo)原理如圖l所(suǒ)示。流量計的(de)檢測件是一(yī)個帶有5個超(chāo)聲通道(聲道(dao))的圓形短管(guan),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(dān)反射聲道,它(tā)們組成爲一(yi)個超聲通道(dào)網絡,對整個(ge)管道橫截面(mian)積都能進行(háng)分析,在分析(xī)速度分布畸(ji)變與旋轉流(liu)對🐅測量值影(yǐng)響的基礎上(shàng)制定儀表信(xin)号處理方案(an)。這種解決不(bú)⚽正常流動特(te)性的方法有(yǒu)以下特點:
(l)氣(qi)體超聲流量(liang)計檢測件是(shi)一段無阻礙(ai)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(fen)析。由于檢測(ce)件形狀的特(te)殊性,而超☀️聲(shēng)流量計的檢(jian)測件是一段(duan)圓💔管,在流體(ti)力學專業資(zi)料中可以找(zhao)到許🔅多參考(kao)資料,因此二(èr)者處理此問(wen)題所依靠的(de)背景資料有(you)很大差别。
(2)氣(qì)體超聲流量(liàng)計處理此問(wen)題是采取分(fen)析對象,制定(ding)檢測策略的(de)方法,孔闆流(liú)量計則進行(hang)一個個阻流(liu)件試驗,無論(lùn)💋技術上或經(jing)濟上其效率(lǜ)與效果都👈很(hěn)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(jiǎn)測件隻能在(zai)較大口徑(DN150以(yǐ)上)應用,今後(hou)中✨小口徑如(ru)何解決相信(xin)氣體超聲流(liú)量計是會找(zhao)到解決辦法(fǎ)的。

　　流量計(ji)的幹校一一(yī)儀表系數的(de)偏離問題對(dui)于大🏒口徑(DN200以(yǐ)上)流🍓量測量(liàng)來說,流量計(jì)能否實行幹(gan)校(無需實流(liu)校驗)是推廣(guang)🐉應用✏️的一個(ge)關鍵因素,某(mou)些情🐆況下甚(shèn)💘至是用🔴戶采(cǎi)用與否的🤟決(jué)定性因素。孔(kǒng)闆流量計借(jiè)助國際上長(zhǎng)期的試驗研(yán)究及實㊙️踐經(jing)驗的☎️總結,早(zao)在30年代就開(kai)始實行儀表(biǎo)的幹🔆校,這是(shi)它獲🔞得廣泛(fàn)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(qì)計量站得到(dào)廣泛應用,幹(gàn)校可能是一(yi)個必要條件(jiàn),一般來說輸(shū)配氣計量站(zhan)管線都是中(zhong)大口徑的。
　　幹(gàn)校是儀表投(tóu)用前确定流(liu)量計儀表系(xì)數(或流出系(xì)數)的♉一種🌏方(fāng)法,但是更重(zhòng)要的是幹校(xiao)确定的儀表(biao)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(kǒng)闆流量計幹(gàn)校後在現場(chang)使用時其流(liu)出系數可能(neng)偏離标準值(zhi)的影響因素(su)如表l所示。

由(yóu)表可見:
(l)結構(gou)的偏離有些(xie)是制造時産(chǎn)生的,有些則(ze)是在長期使(shǐ)用中由🌈于流(liú)體介質腐蝕(shí)、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(mǎn)足直管段長(zhang)度要⛱️求配置(zhì)流動調整器(qi)不是一個好(hǎo)辦法,前面已(yi)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(qian)變萬化,很難(nan)維持實驗室(shì)的參💃🏻比工作(zuò)條件,這是現(xian)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(zhī)間的天然氣(qì)),這一問題更(geng)爲突出,孔闆(pǎn)流量計在此(ci)領域基本上(shang)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(bié)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(tian)然氣從地層(ceng)中開采出來(lai),雖經‼️分離,除(chu)塵和過濾,因(yīn)🌈其所含成份(fen)十分複雜,從(cong)單井計量,集(jí)氣計量到配(pei)氣計量,氣質(zhì)組分各不相(xiàng)同,所以節流(liu)裝置在作用(yong)中其沖刷、腐(fǔ)蝕亦各不相(xiang)同,特别對孔(kǒng)闆直角人口(kǒu)邊緣和測量(liàng)管内壁的沖(chong)刷腐蝕尤爲(wei)嚴重,因此在(zai)實際應用中(zhong)采取在🔞流出(chu)系數中增加(jia)二個修正系(xi)數,即孔闆人(rén)口尖銳度🏒修(xiū)正系數和管(guǎn)壁粗糙度修(xiū)⭕正系數。這種(zhǒng)解決辦法實(shí)在是不得已(yǐ)而爲之,其效(xiào)果并不理想(xiǎng)。
　　孔闆流量計(ji)易于偏離标(biao)準的原因應(yīng)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(he)☎️形狀及尺寸(cun),現場的長期(qī)應用難免不(bú)産生磨損、腐(fǔ)蝕和積垢等(deng)使幾何形狀(zhuang)🙇‍♀️及尺寸改變(biàn)的情況,引壓(ya)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(hào)㊙️不㊙️正常約占(zhan)儀表⁉️故障率(lǜ)的70%,其他如不(bu)正常流動特(tè)性引起的測(cè)量誤差隻能(neng)采取一些消(xiao)極的辦法解(jiě)決。
氣體超聲(shēng)流量計
　　氣體(tǐ)超聲流量計(ji)目前尚未普(pu)遍實行幹校(xiao),但從儀表工(gōng)作🤩原理☎️及結(jie)構上看實行(hang)幹校是可能(néng)的困,隻🚩是目(mù)前成熟程度(du)(幹樣的必要(yào)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(yi)下我們來探(tan)讨一下幹校(xiào)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(tǐ)中的傳播路(lu)徑長度(聲道(dao)長度);
A—管道橫(héng)截面面積;
Ψ—超(chāo)聲波傳播方(fāng)向與流體流(liu)向之間的夾(jia)角(聲道角❄️);
tab—超(chāo)聲波從換能(neng)器a到換能器(qi)b的傳播時間(jian);
t、—超聲波從換(huan)能器b到換能(neng)器a的傳播時(shí)間;
K—儀表系數(shù)。
　　由式(l)可見,體(tǐ)積流量的測(cè)量準确度決(jué)定于3部分:時(shí)🌂間差,結構參(cān)數L,A, Ψ等的測量(liang)誤差和儀表(biǎo)系數K的準确(què)度。
(l)與孔闆流(liú)量計相比較(jiào),氣體超聲流(liu)量計沒有如(ru)節⚽流裝置幾(ji)何形狀及尺(chi)寸變化影響(xiang)儀表特性的(de)問題,聲道長(zhǎng)度,聲道角及(jí)管道橫截面(miàn)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(xian)💚場條件确定(ding)儀表系數及(jí)維持⭐長期穩(wěn)定是比較可(ke)能的。
(2)解決速(su)度分布畸變(biàn)與旋轉流的(de)方法與孔闆(pan)流量計不同(tong),沒🈚有阻流件(jiàn)對号人坐的(de)問題,亦不采(cǎi)用會引起🔞副(fù)作用的⛱️流動(dong)調整器,它是(shì)從聲道設置(zhì)方案人手,更(gèng)着重于💋軟測(cè)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(liú)測量,氣體超(chao)聲流量計是(shi)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(liú)量(流🏃🏻速)爲線(xian)性關系;②檢測(ce)件内無阻礙(ài)物;③非接觸測(cè)量;④測量采用(yong)高速數字信(xin)号處理技術(shù)✌️。這些特點使(shǐ)💋它可以快速(sù)響應流體流(liu)動的動态變(bian)化。
其他儀表(biao)性能的比較(jiao)
1範圍度
　　孔闆(pǎn)流量計範圍(wei)度窄(約爲3:1一(yī)4:1),近年來雖從(cóng)多方面采取(qu)措施拓寬其(qi)範圍度,如采(cai)用寬量程差(chà)壓變送器,多(duō)台差壓變送(song)器并聯使用(yong),采用可換孔(kǒng)闆節流裝置(zhì)以及智能流(liú)量顯示儀等(deng)等,但與氣體(tǐ)超聲流量計(ji)相比未免遜(xùn)色。氣體超聲(shēng)流量計範圍(wéi)度可達🧑🏾‍🤝‍🧑🏼40:1(DN150)一160:l(DN75O),在(zài)實際使用中(zhōng)流量計可測(ce)流量(流速)下(xia)限值是一個(ge)更重要的指(zhi)标,我國大口(kǒu)徑氣體管道(dao)系統普遍運(yùn)行低❤️流速範(fàn)圍(流速上限(xian)值僅5m/s,或更低(dī)),使得流量計(ji)選型困難。氣(qi)體超聲流量(liang)計下限流🐕速(sù)偏差如表2所(suo)示。
　　如管徑爲(wei)DN125時,測量誤差(chà)爲1%,則下限流(liú)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(xiàn)流速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.

　　據(jù)資料介紹,在(zai)天然氣輸配(pèi)氣計量站中(zhōng),一座用孔闆(pan)😘流量計做爲(wei)計量儀表的(de)計量站,爲滿(man)足範圍度的(de)要🍉求,需設置(zhi)♉4條DN400mm管線,如🔞采(cai)用氣體超聲(shēng)流量計則隻(zhi)需設置2條DN600mm管(guan)線或一條ND700mm管(guǎn)線,這樣采用(yòng)氣體超聲☀️流(liu)量計可節省(shěng)一次性投資(zi)10一40%,節省占地(dì)空間50一75%,并且(qiě)精度更高,工(gōng)作更穩定💘,維(wéi)護量更少⭕。
2壓(ya)力損失
　　孔闆(pǎn)流量計以壓(ya)損大著稱,而(er)氣體超聲流(liu)量計恰是🏃‍♀️無(wu)壓損(僅相當(dāng)于一段管道(dao))儀表,對于大(dà)口徑,這個特(tè)點很重要,它(ta)可以節約能(néng)耗或适用于(yú)低靜壓氣體(tǐ)管道系統的(de)測量💋。
3儀表造(zào)價
　　對于孔闆(pan)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(er)氣體超聲流(liú)量計的檢測(cè)件制造♍成本(ben)與口徑大小(xiǎo)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(yi)表。
4使用維護(hù)
　　孔闆流量計(ji)由3部分組成(chéng):節流裝置、 差(cha)壓變送器 和(he)流量顯示儀(yi)。在現場惡劣(liè)工作條件作(zuò)用下節流✏️裝(zhuang)置與差🤟壓✍️變(bian)送器及其連(lian)接部分引壓(ya)管線是使用(yòng)維護的重點(diǎn),天然氣輸配(pei)氣計量站爲(wei)經常檢查孔(kǒng)闆的🌍質量,常(cháng)增設旁路管(guan)或🥰采用價格(ge)昂貴的可換(huàn)孔闆節流裝(zhuāng)置,這些都使(shǐ)儀表及其輔(fǔ)助設備造🚩價(jià)增加,也增加(jia)了維護工作(zuò)量。氣體超聲(sheng)流量計檢測(ce)件比較牢固(gu),維護工作量(liàng)少,甚至可做(zuo)成插人式💋探(tàn)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(ji)在天然氣工(gōng)業中的應用(yòng)進行一些比(bǐ)較,由上述可(ke)見,在大口徑(jìng)測量☎️方面✉️,氣(qi)體超聲流量(liang)計無疑更爲(wei)優越。孔闆流(liú)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(zhe)都對它進行(hang)過巨大的理(lǐ)論與實踐工(gōng)作,取得極爲(wei)豐富的經驗(yàn),相比之下,氣(qi)體超聲流量(liang)計僅剛嶄露(lù)頭角,尚需通(tong)過實踐走向(xiàng)成熟,至于中(zhōng)小口徑方面(mian),需作更多的(de)工作。

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