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天然气计量与影响分析
发布时间：2016-08-26

1 差压式流量计
   在天然气中使用的差压式流量计主要是标准孔板流量计。孔板流量计经过多年发展，技术已趋于成熟，而且有相应的国家标准和规程支撑，在标准GB/T2624－2006、GB/T21446－2008中对孔板流量计的结构形式、技术要求等进行了详细描述。
1.1 孔板流量计的基本原理
   根据能量守恒定律，在一定条件下动压能和静压能可以相互转换，在安装孔板的位置，流体通过孔板后流速加快，导致静压能降低，通过测量孔板前后的静压差就可推算出流体流量大小。
根据标准GB/T21446－2008，其流量计算实用公式为：

式中：qvn—天然气在标准参比条件下的体积流量；Avn—体积流量计量系数；C—流出系数；E—渐进速度系数；d—孔板开孔直径（mm）；FG—相对密度系数；ε—可膨胀系数；FZ—超压缩系数；FT—流动温度系数；P1—孔板上游侧取压孔气流绝对静压（MPa）；Δp—气体流经孔板时产生的压差（Pa）。
1.2 孔板流量计准确性影响因素
   为全面分析影响孔板流量计准确性的影响因素，现主要从天然气的流体特性、孔板流量计本身仪器性能、孔板流量计的安装以及使用环境等多个方面进行分析。
（1）天然气本身流体特性影响计量的准确度主要表现在两个方面，一方面是天然气本身的压力和温度会随外界环境温度的变化而变化，从而导致过大的密度、压缩系数以及粘度特性的变化，影响计量准确性。另一方面天然气含有杂质，杂质会腐蚀仪器的接触面，特别是对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲涮和腐蚀，更是严重影响孔板计量的准确性。
（2）孔板流量计本身性能引起的误差主要有以下几个方面：孔板入口直角锐利度；孔板厚度误差；节流件不同轴度；取压孔加工不规范或堵塞；孔板上游端面平度；取压位置；引压管位置偏低造成积液或引压管过长等。
（3）孔板流量计因安装不当引进的误差主要表现在：管线布置偏离，直管段长度不符合GB/T21446－2008标准要求。温度传感器测温元件插入位置不对，导致温度计量误差偏大。
（4）使用环境的影响主要表现在环境温度和湿度的变化，以及电磁干扰对电子元器件的影响。
2 速度式流量计
2.1 涡轮流量计的基本原理
   涡轮流量计是以动量矩守恒原理为基础，流体作用在轴向安装的叶轮叶片上，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，根据涡轮的转数即可求出流量值，最后通过电磁转换设备将涡轮的转数变化成电脉冲信号，经二次仪表进行计算和显示。
   流体在层流状态时，流体的流动阻力与流体粘度、流量成正比。流体的阻力矩逐渐增大，而机械阻力矩可以忽略不计，此时的仪表系数为：

式中：Z—涡轮叶片数目；θ—叶片与轴线夹角；r—叶片平均半径；A—流通截面积；ρ—流体密度；μ—流体粘度；C1—常数。
流体在湍流状态时，流体的流动力矩与流量的平方、流体密度成正比。此时的仪表系数为：

式中：C2—常数。
   从湍流状态时的仪表系数可以看出，在这种情况下，仪表系数只与仪表结构有关，而与流体的特性无关，为一恒定常数。涡轮流量计就是根据这一区间内来确定流量范围。
2.2 涡轮流量计准确性影响因素分析
流体特性、表计安装工艺以及使用环境等都会对涡轮流量计的准确性造成影响。
（1）关于流体特性的影响。一方面，从涡轮流量计的原理中可以看出，为使仪表达到计量特性，应使被测流体处于湍流状态，只有在这种状态下，仪表系数才不会跟随流量的变化而变化。另一方面，流体的流速分布和旋涡流是影响其精确计量的主要因素，为此在配管时要求在流量计上游有15D以上的直管段，下游部分配置4D以上的直管段，目前实际使用中涡轮流量计通常自带整流器，安装时直管段可适当缩短。
（2）涡轮流量计的机械阻力、部件尺寸等也会影响计量精度。由于被测流体不可避免的含有杂质，会使涡轮轴承磨损、叶轮腐蚀或者卡死，导致机械阻力增大，部件尺寸变化影响精度，所以在现场使用时，需要在前端安装过滤器。另外，涡轮流量计若长期超流量运行，会造成轴承过度磨损，使仪表系数改变，导致计量不准。
3 容积式流量计
3.1 腰轮流量计的基本原理
   当流体流入流量计后，推动计量室内部上方的腰轮顺时针旋转，通过驱动齿轮带动下方的腰轮逆时针旋转，上下腰轮交替旋转，带动流体不断地从计量室流出，流体排出量为4倍计量室有效容积。据此，腰轮每旋转一次就有固定容积的流体排出，通过计算单位时间内腰轮的动作次数，即可求出通过流量计的体积流量。
腰轮流量计特性可用测量通过的体积误差E描述，通常表示为：

式中：E—相对误差；q—容室体积；α—齿轮比常数；ε—流体泄露量；Q—流体流量。
从体积误差公式中可以看出，当流体流量很小时有ε≈Q，流量计无法计数，测量误差趋于无穷。当流体流量增大时，由于进出口的压差也增大，泄露量也随着增大，相应地误差E也增大。所以，在流体流量过小和过大时，腰轮流量计的误差都变化很大，只有在一定的流量范围内使用时才能确保计量误差的恒定。
3.2 腰轮流量计准确性影响因素分析
（1）影响腰轮流量计准确性的一个很重要因素就是流体的泄露量。泄露量是指从流量计入口流入后，从转动部件和外壳之间的间隙流出，没有被计量到的量。它的大小与转动部件和外壳间的间隙有直接关系，当该间隙过大时，流量计的误差稳定段就会缩小，误差增大，相反，流量计的误差稳定段会增长，误差减小。所以在使用时，要综合考虑被测流体的清洁度和测量误差要求，选择合适间隙的流量计。
（2）测量范围的选择。从图1的误差曲线可以看出，腰轮流量计只有在一定的范围内，其测量误差才能保持一定，当超出该范围时，误差将急剧增大。

4 流量计选型对测量精度的影响
   流量计的选型不对将会影响测量的精度以及使用寿命，特别是当流量计的口径、规格、测量范围选择不当时，会造成“大马拉小车或小马拉大车”的现象，将严重影响计量的准确性。所以在天然气流量计的选用时，应在了解各类型流量计计量原理和特性的基础上，同时结合不同的天然气管路工况和用户流量需求进行综合考虑。几种常用天然气流量计的特点和应用场合如表1所示。

5 流量计安装维护对测量精度的影响
   在城市天然气流量计使用过程中经常出现流量计卡死不过气、过气不计量等问题，这就会造成计量纠纷甚至安全事故，为了避免以上问题，保障流量计计量准确，就要把好流量计安装关。包括安装流量计前需要对管道进行吹扫，防止焊缝、PE屑、管道粉尘等杂物进入流量计。流量计前按要求安装过滤器，定期对滤芯进行清洗更换。涡轮流量计一般水平安装，按说明书保证直管段要求，腰轮流量计一般垂直安装，有利于腰轮流量计的自洁净。在流量计的日常维护方面，包括对涡轮和腰轮流量计定期加油润滑，对流量进行监控，防止长期超流量运行，从而减缓轴承磨损；对流量计进行定期巡检，对比管道中压力表和流量计压力显示是否有偏差；对比实际用气情况和流量计计量数据是否一致；对流量计进行周期检定。
安装远程监控系统的流量计计量柜要做好接地�；�，否则流量积算仪可能会出现不过气走字或遇打雷天气，积算仪黑屏等问题。
6 结束语
   随着城市天然气不断地发展，国家对节能减排和能源计量的重视，天然气的准确计量将会变得越来越重要。根据各种不同类型流量计的准确性影响因素分析，在实际选型、安装、使用和维护等环节尽量减少不利因素的影响，从而提高最终计量的准确性。


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