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城市天然气流量计量的准确性

城市天然气流量计量的准确性

点击数:536次    发布时间:2016年9月1日

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:

    (1)

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:

    (2)

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:

    (3)

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,为使仪表达到最佳的计量特性,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:

    (4)

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。


1 误差曲线

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。

1 天然气流量计特点和应用


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保护,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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