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差压式孔板流量计计量不准确度因素分析及措施
发布日期:2017-7-26 10:01:36
 差压式孔板流量计优点是适用于较大口径管道的计量;结构简单,安装容易;无可动部件,性能可靠,耐用;应用历史悠久,标准规定最全;按标准制造的孔板不需要标定;价格便宜。缺点:压损大时不适宜长输管线计量;量程比小;前后直管段要求长,占地面积大;输出信号为模拟信号,重复性不高;对整套流量计的精度影响因素多且错综复杂,很难提高测量精度。         一、不确定度分析
节流式差压流量计不确定度计算式
式中;Eqm-流量相对不确定度,% ;EC,Eε,ED,Ed,Eρ,EΔp-分别为C,ε,D,d,ρ,Δp的相对不确定度,%;β-直径比,无量纲。
1.流量计算方程中描述流体流动状态真实性不确定度因素
多年来,我国的天然气计量一直以体积流量为结算依据,即以一个大气压(101.325kPa)下,20℃时的天然气的量,对应的体积流量。根据S1Y/T6143-1996[1],天然气标准体积流量计算公式为[2]
式中:qsc-标准状态下天然气体积流量,m3/s;As-秒计量系数,无量纲,As=3.1794×10-6;C-流出系数,无量纲;E-渐近速度系数,无量纲;d-孔板开孔直径,mm;FG-相对密度系数,无量纲;ε-可膨胀性系数,无量纲;F2-超压缩因子,无量纲;FT-流动温度系数,无量纲;p1-孔板上游侧取压孔气流绝对静压,MPa;Δp-气流流经孔板时产生的差压,Pa。
流出系数C为通过节流装置的实际流量值与理论流量值之比。它是在上游直管段充分长的实验条件下,并且孔板节流装置在满足规定的技术指标下进行校准标定的,才具计量特性。(3)
式中: 直径比,β=d/D;D值的单位为mm;当间距符合法兰取压方式时, L1=L2=25.4/D;当间距符合角接取压方式时,L1=L2=0。
根据SY/T6143-1996,孔板开孔直径d、测量管内径JD、直径比β和管径雷诺数ReD的极限值应符合规定。
当气流流束在孔板前1D处完全充满管道,且为紊流状态时,流出系数C的百分误差为:当β≤0.6时,为±0.6%;当0.67πβ≤0.75时,为±β%。
2.被测介质实际物理性质的不确定度因素
2.1 多相、非牛顿流体[3]~[5]
标准中要求流经流量计的流体必须是单相的牛顿流体。但是在油气田开采中现场液体含有微粒杂质或气泡,气体中有液滴或固体微粒是难以完全避免的,问题的关键是这些分散相的含量多少会影响到基本特性?确定这个界限是很重要的,未来界限的试验研究是流量计研制的一个内容。
美国雪佛龙公司和科罗拉多工程试验站的试验研究结果表明:(1)用孔板流量计测量气体流量,当气体中夹带少量体时,流量测量不确定度偏高,测量的湿气流量随β的增加而减少,在β比为0.7时,测得的流量偏差为-1.7% ;(2)当少量液体时,在β比为0.5时表明孔板性能较好,但是将夹带在孔板上游脱出,以获得最佳的计量性能;(3)用旧的孔板流量计测量湿气,流量计量值将降低3%。
2.2 天然气相对密度的影响
密度参数是天然气测量中极为重要的物性参数, 密度测量的不准确度对整个测量系统的不准确度有着很大影响。根据计量条件估算密度带来的不确定度:当仪表精度较低运行在下限时,不确定度为±0.818%;反之,不确定度则在±0.793%,由此可见密度在流量测量中至关重要,所以为了准确进行天然气计量,选用在线色谱仪进行组分在线分析是十分必要的。
3.测量中重要设备(如孔板开孔直径及直径比)的不确定度
SY/T6143-1996规定,标准孔板是由机械加工获得的一块圆形穿孔的薄板。它的节流孔圆筒形柱面与孔板上游端面垂直,其边缘是尖锐的, 孔板厚与孔板直径比是比较小的。孔板在测量管内的部分应该是圆的并与测量管轴线同轴,孔板的两端面应始终是平整的和平行的
3.1 孔板偏心
根据GB2624-81规定,孔板应与节流装置中的直管段对中。实验表明,孔板偏心引起的计量误差一般在2%以内,孔径比β值愈高,偏心率影响愈大,应不用值高的孔板。                     3.2 孔板弯曲
由于安装或维修不当。使孔板发生弯曲或变形,导致流量测量误差较大。在法兰取压的孔板上进行测试,孔板弯曲产生的最大误差约为3.5%,见图1。
3.3 孔板边缘尖锐度
孔板入口边缘磨损变钝不锐或受腐蚀发生缺口,或孔板管道内部的焊缝或计量法兰垫片,都将使实际流量系数增大和差压降低,造成计算气量偏小。
二、提高计量精度的措施
1.消除气流中的脉动流
管道中由于气体的流速和压力发生突然变化,造成脉动流,它能引起差压的波动,而节流装置的流量计算公式是以兰孔板的稳定流动为基础的,当测量点有脉动现象时,稳定原理不能成立,从而影响测量精度,产生计量误差。
脉流流量总不确定度等于按GB/T2624-93计算的测量误差与脉动附加不确定度的合成。
式中:ET-脉动附加不确定度,无量纲;-轴向时均速度,m/s;-速度脉动分量均方根值,m/s。(公式应用条件≤0.32) 因此,为了保证天然气计量精度,必须抑制脉动流。常用的措施有:
(1)在满足计量能力的条件下,应选择内径较小的测量管,提高差压和孔径比;    (2)采用短引压管线,减少管线中的阻力件,并使上下游管线长度相等,减少系统中产生谐振和压力脉动振幅增加;    (3)从管线中消除游离液体,管线中的积液引起的脉动可采用自动清管系统或低处安装分液器来处理。
2.计量装置的设计安装应符台SY/T 6143-1996
由于影响孔板流量计测量精度的根本原因是节流装置的几何形状和流动动态是否偏离设计标准。因此在使用过程中必须定期做好系统的校检、维护工作,对于实际使用中的压力、温度、流量等工况参数的变化,应进行及时修正。可采用全补偿的流量计算机的积算方案,以减少计量误差,确保计量精度。
3.避免人为计量误差
加强计量管理,提高操作人员技术素质,积极引进吸收国外先进的天然气计量技术。 (1)采用CFD数值模拟可以有效获取标准孔板流量计内部的流场分布情况,并可根据具体应用场合计算出相应的流出系数,因此能够弥补因受各种局限而不能进行流出系数实测标定的缺憾和不足;
 (2)随着流量、直径比、孔板厚度以及流体介质的改变,流出系数也会随之发生变化。一般情况下,ISO公式流出系数计算值小于数值模拟流出系数,且难以准确反映出孔板轴向厚度变化对内部流场的影响;
(3)虽然采用CFD数值模拟与实测标定一样都存在着误差,但应用本文所建立的CFD数值模拟模型可以对孔板上游直角区污物堆积、孔板轴向入口锐角变钝等几何形状变化对流动情况的影响进行研究,还可以直接推广到喷嘴、文丘里管等节流差压式流量计的分析研究中。