城市天然氣流量計量及影響因素分析

1 差壓式流量計

在天然氣中使用的差壓式流量計主要是標準孔板流量計�？装辶髁坑嫿�(jīng)過(guò)多年發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟，而且有相應的國家標準和規程支撐，在標準GB/T2624－2006、GB/T21446－2008中對孔板流量計的結構形式、技術(shù)要求等進(jìn)行了詳細描述。

1.1 孔板流量計的基本原理

根據能量守恒定律，在一定條件下動(dòng)壓能和靜壓能可以相互轉換，在安裝孔板的位置，流體通過(guò)孔板后流速加快，導致靜壓能降低，通過(guò)測量孔板前后的靜壓差就可推算出流體流量大小。

根據標準GB/T21446－2008，其流量計算實(shí)用公式為：

    （1）

式中：qvn—天然氣在標準參比條件下的體積流量；Avn—體積流量計量系數；C—流出系數；E—漸進(jìn)速度系數；d—孔板開(kāi)孔直徑（mm）；FG—相對密度系數；ε—可膨脹系數；FZ—超壓縮系數；FT—流動(dòng)溫度系數；P1—孔板上游側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 孔板流量計準確性影響因素

為全面分析影響孔板流量計準確性的影響因素，現主要從天然氣的流體特性、孔板流量計本身儀器性能、孔板流量計的安裝以及使用環(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量的準確度主要表現在兩個(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，從而導致過(guò)大的密度、壓縮系數以及粘度特性的變化，影響計量準確性。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壁的沖涮和腐蝕，更是嚴重影響孔板計量的準確性。

（2）孔板流量計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；節流件不同軸度；取壓孔加工不規范或堵塞；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(guò)長(cháng)等。

（3）孔板流量計因安裝不當引進(jìn)的誤差主要表現在：管線(xiàn)布置偏離，直管段長(cháng)度不符合GB/T21446－2008標準要求。溫度傳感器測溫元件插入位置不對，導致溫度計量誤差偏大。

（4）使用環(huán)境的影響主要表現在環(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

2.1 渦輪流量計的基本原理

渦輪流量計是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎，流體作用在軸向安裝的葉輪葉片上，使渦輪旋轉，渦輪的旋轉速度隨流量的變化而變化，根據渦輪的轉數即可求出流量值，最后通過(guò)電磁轉換設備將渦輪的轉數變化成電脈沖信號，經(jīng)二次儀表進(jìn)行計算和顯示。

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，而機械阻力矩可以忽略不計，此時(shí)的儀表系數為：

    （2）

式中：Z—渦輪葉片數目；θ—葉片與軸線(xiàn)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。

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)的儀表系數為：

    （3）

式中：C2—常數。

從湍流狀態(tài)時(shí)的儀表系數可以看出，在這種情況下，儀表系數只與儀表結構有關(guān)，而與流體的特性無(wú)關(guān)，為一恒定常數。渦輪流量計就是根據這一區間內來(lái)確定流量范圍。

2.2 渦輪流量計準確性影響因素分析

流體特性、表計安裝工藝以及使用環(huán)境等都會(huì )對渦輪流量計的準確性造成影響。

（1）關(guān)于流體特性的影響。一方面，從渦輪流量計的原理中可以看出，為使儀表達到最佳的計量特性，應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量的主要因素，為此在配管時(shí)要求在流量計上游有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通常自帶整流器，安裝時(shí)直管段可適當縮短。

（2）渦輪流量計的機械阻力、部件尺寸等也會(huì )影響計量精度。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，導致機械阻力增大，部件尺寸變化影響精度，所以在現場(chǎng)使用時(shí)，需要在前端安裝過(guò)濾器。另外，渦輪流量計若長(cháng)期超流量運行，會(huì )造成軸承過(guò)度磨損，使儀表系數改變，導致計量不準。

3 容積式流量計

3.1 腰輪流量計的基本原理

當流體流入流量計后，推動(dòng)計量室內部上方的腰輪順時(shí)針旋轉，通過(guò)驅動(dòng)齒輪帶動(dòng)下方的腰輪逆時(shí)針旋轉，上下腰輪交替旋轉，帶動(dòng)流體不斷地從計量室流出，流體排出量為4倍計量室有效容積。據此，腰輪每旋轉一次就有固定容積的流體排出，通過(guò)計算單位時(shí)間內腰輪的動(dòng)作次數，即可求出通過(guò)流量計的體積流量。

腰輪流量計特性可用測量通過(guò)的體積誤差E描述，通常表示為：

    （4）

式中：E—相對誤差；q—容室體積；α—齒輪比常數；ε—流體泄露量；Q—流體流量。

從體積誤差公式中可以看出，當流體流量很小時(shí)有ε≈Q，流量計無(wú)法計數，測量誤差趨于無(wú)窮。當流體流量增大時(shí)，由于進(jìn)出口的壓差也增大，泄露量也隨著(zhù)增大，相應地誤差E也增大。所以，在流體流量過(guò)小和過(guò)大時(shí)，腰輪流量計的誤差都變化很大，只有在一定的流量范圍內使用時(shí)才能確保計量誤差的恒定。

3.2 腰輪流量計準確性影響因素分析

（1）影響腰輪流量計準確性的一個(gè)很重要因素就是流體的泄露量。泄露量是指從流量計入口流入后，從轉動(dòng)部件和外殼之間的間隙流出，沒(méi)有被計量到的量。它的大小與轉動(dòng)部件和外殼間的間隙有直接關(guān)系，當該間隙過(guò)大時(shí)，流量計的誤差穩定段就會(huì )縮小，誤差增大，相反，流量計的誤差穩定段會(huì )增長(cháng)，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。

（2）測量范圍的選擇。從圖1的誤差曲線(xiàn)可以看出，腰輪流量計只有在一定的范圍內，其測量誤差才能保持一定，當超出該范圍時(shí)，誤差將急劇增大。

圖1 誤差曲線(xiàn)

4 流量計選型對測量精度的影響

流量計的選型不對將會(huì )影響測量的精度以及使用壽命，特別是當流量計的口徑、規格、測量范圍選擇不當時(shí)，會(huì )造成“大馬拉小車(chē)或小馬拉大車(chē)”的現象，將嚴重影響計量的準確性。所以在天然氣流量計的選用時(shí)，應在了解各類(lèi)型流量計計量原理和特性的基礎上，同時(shí)結合不同的天然氣管路工況和用戶(hù)流量需求進(jìn)行綜合考慮。幾種常用天然氣流量計的特點(diǎn)和應用場(chǎng)合如表1所示。

表1 天然氣流量計特點(diǎn)和應用

5 流量計安裝維護對測量精度的影響

在城市天然氣流量計使用過(guò)程中經(jīng)常出現流量計卡死不過(guò)氣、過(guò)氣不計量等問(wèn)題，這就會(huì )造成計量糾紛甚至安全事故，為了避免以上問(wèn)題，保障流量計計量準確，就要把好流量計安裝關(guān)。包括安裝流量計前需要對管道進(jìn)行吹掃，防止焊縫、PE屑、管道粉塵等雜物進(jìn)入流量計。流量計前按要求安裝過(guò)濾器，定期對濾芯進(jìn)行清洗更換。渦輪流量計一般水平安裝，按說(shuō)明書(shū)保證直管段要求，腰輪流量計一般垂直安裝，有利于腰輪流量計的自潔凈。在流量計的日常維護方面，包括對渦輪和腰輪流量計定期加油潤滑，對流量進(jìn)行監控，防止長(cháng)期超流量運行，從而減緩軸承磨損；對流量計進(jìn)行定期巡檢，對比管道中壓力表和流量計壓力顯示是否有偏差；對比實(shí)際用氣情況和流量計計量數據是否一致；對流量計進(jìn)行周期檢定。

安裝遠程監控系統的流量計計量柜要做好接地保護，否則流量積算儀可能會(huì )出現不過(guò)氣走字或遇打雷天氣，積算儀黑屏等問(wèn)題。

6 結束語(yǔ)

隨著(zhù)城市天然氣不斷地發(fā)展，國家對節能減排和能源計量的重視，天然氣的準確計量將會(huì )變得越來(lái)越重要。根據各種不同類(lèi)型流量計的準確性影響因素分析，在實(shí)際選型、安裝、使用和維護等環(huán)節盡量減少不利因素的影響，從而提高最終計量的準確性。