天然氣標準孔板計量系統(tǒng)幾類常見誤差因素分析

上海自動化儀表有限公司用標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量，是一個多種儀表的組合檢測過程，也是一個多種參數(shù)的混合運算過程，包含了多個復雜的計量工藝參數(shù)、節(jié)流裝置 ( 節(jié)流件、取壓裝置和上下游直管段) 的幾何參數(shù)、天然氣物性參數(shù)等。標準孔板計量系統(tǒng)是一個對流量測量結(jié)果影響因素眾多的復雜儀表組合，其中任何一個因素都可能會直觀地或隱蔽地影響標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量的結(jié)果。從事天然氣交接計量的技術(shù)人員，需要熟悉了解每種因素對測量結(jié)果的影響趨勢和影響程度，如此才能避免交接過程中的計量異議發(fā)生或有依據(jù)地依靠技術(shù)手段正確解決計量異議，避免計量糾紛。

1 標準孔板計量系統(tǒng)

1. 1 原理和組成

標準孔板計量系統(tǒng)是一種差壓式流量測量裝置，通過測量天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置前后的差壓間接測量流量。用標準孔板計量系統(tǒng)測量天燃氣流量計的優(yōu)勢是設(shè)計、加工和計算已經(jīng)標準化，標準節(jié)流裝置只要按照 GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準設(shè)計加工，不需要整體校準即能在已知的不確定度范圍內(nèi)進行流量測量。

標準孔板計量系統(tǒng)通常由能將流量轉(zhuǎn)換成差壓信號的節(jié)流裝置和測量差壓并顯示流量的差壓計 ( 或差壓變送器) 組成。節(jié)流裝置也稱 “一次裝置”，包括節(jié)流件、取壓裝置和前后直管段。顯示裝置也稱 “二次裝置”，包括差壓信號管路和測量中所需的各類儀表、流量積算設(shè)備等。

1. 2 流量計算方法

天然氣在標準參比條件下的體積流量計算方法，見式 ( 1) 。式中: qVn為天然氣在標準參比條件下的體積流量; AVn為體積流量計量系數(shù)，數(shù)值視采用計量單位而定; C 為流出系數(shù)，有專用的復雜計算公式; E 為漸近速度系數(shù)，有專用計算公式; d 為孔板開孔孔徑; FG 為相對密度系數(shù)，有專用計算公式; ε 為可膨脹性系數(shù)，有專用的復雜計算公式; FZ 為超壓縮系數(shù)，有專用計算公式; FT 為流動溫度系數(shù)，有專用計算公式; p1 為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對靜壓，儀表檢測得到; Δp 為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，儀表檢測得到。

分析天然氣標準孔板計量系統(tǒng)的影響因素和各因素對測量結(jié)果的影響趨勢，都 要 基 于 對 式( 1) 的綜合分析，因為某個因素可能會同時影響公式中的幾項參數(shù)，這些參數(shù)對測量結(jié)果影響的趨勢未必都是同向的，因此單純的理論推導未必足夠，必要時需要運用專業(yè)軟件模擬計算。以下，參考 GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準算例，通過設(shè)定非常簡單的計量工藝條件，運用天然氣流量測量標準孔板設(shè)計及管理軟件對標準孔板計量系統(tǒng)的幾類常見影響因素造成的流量測量結(jié)果的變化趨勢進行模擬計算。

以下各項模擬計算均以表 1 給出的已知條件和計算結(jié)果為基準，針對單個影響因素形成系列值，分析比較流量值隨影響因素的變化趨勢和關(guān)系。

2 工藝參數(shù)的影響

2. 1 差壓的影響

標準孔板流量測量方法以能量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，通過測量天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置前后的差壓間接測量流量，因此差壓是影響流量測量結(jié)果的核心因素。差壓一般通過高準確度差壓變送器直接測得，或通過標準孔板前后的兩個壓力變送器差值間接測得。

2. 1. 1 取壓方式的影響

GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規(guī)定了法蘭取壓與角接取壓兩種取壓方式，不同取壓方式代表著不同的取壓位置，特別是標準孔板后側(cè)的取壓位置非常重要。因為天然氣流束通過標準孔板后截面有個先收縮后擴大的過程，不同取壓位置處的壓力不同，前后壓力差也就不同。而且，取壓方式造成式 ( 1)中的流出系數(shù) C 的計算結(jié)果不同，流量測量結(jié)果自然不同。保持表 1 中除 f) 項外的已知條件不變，分別選取法蘭取壓與角接取壓兩種取壓方式，計算比較流量值。

一般地，標準節(jié)流裝置都配置孔板夾持器，孔板夾持器上的取壓孔規(guī)范了取壓方式。如果同一個孔板夾持器上有不同取壓方式的取壓孔時，應(yīng)特別注意導壓管不能安裝錯誤。

2. 1. 2 差壓測量誤差的影響

將表 1 中已知條件 d) 項氣流差壓分別設(shè)定為24、26、28、30、32、34、36 kPa，模擬計算系列流量值。

可以看出，總體上天然氣在標準參比條件下的體積流量隨差壓增大而增大，故如果差壓值測量產(chǎn)生誤差，比實際值偏大的話，標準孔板計量系統(tǒng)測得的流量值也將偏大。但差壓值與流量值不是正比關(guān)系，從式 ( 1) 看，差壓的方根值才與流量值成正比關(guān)系。GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規(guī)定，差壓儀表量程選用時，差壓值宜在滿量程的 10% ～ 90% 范圍內(nèi)，差壓儀表的范圍度為 1∶9，根據(jù)差壓方根值與流量值的正比關(guān)系推算，標準孔板計量系統(tǒng)的范圍度一般為 1∶3，不會超過 1∶4。這是標準孔板計量系統(tǒng)的缺陷，只適宜流量較穩(wěn)定的工況。標準孔板計量系統(tǒng)差壓信號管路的安裝應(yīng)注意不能帶來附加誤差，試驗證明: 標準孔板下游側(cè)導壓管至差壓儀表間的接頭、儀表閥漏氣或堵塞，造成流量測量結(jié)果偏大; 上游側(cè)則相反。對于測量腐蝕性天然氣的場合，導壓管上隔離器的兩個容器中液面若不在同一高度上，上游高、下游低造成流量測量結(jié)果偏大; 上游低、下游高則相反。

2. 1. 3 低于 10% 滿量程差壓值造成的不確定度

如上所述，標準孔板計量系統(tǒng)要求差壓值宜在滿量程的 10% ～ 90% 范圍內(nèi)，對表 1 中已知條件 d) 項氣流差壓分別設(shè)定 1～ 10 kPa，以 1 kPa為步長模擬計算系列流量值。

2. 為真實體現(xiàn)流量測量不確定度的變化趨勢和變化程度，表中數(shù)據(jù)特意保留多位有效數(shù)字。

可以看出，當差壓值處在滿量程 60 kPa 的 10% 以下時，流量測量不確定度很大而且變化也大，在超過滿量程 10%以后，流量測量不確定度變小且趨于穩(wěn)定。標準孔板計量系統(tǒng)的差壓值過小一般都是由于標準孔板選型過大造成，因此在使用時應(yīng)設(shè)計合理，應(yīng)針對實際流量變化范圍配備一系列不同規(guī)格的標準孔板保證必要時更換，推薦使用定值節(jié)流裝置。

2. 2 壓力的影響

天然氣具有可壓縮性，壓力對體積計量具有至關(guān)重要的作用。中已知條件 e) 項氣流靜壓分別設(shè)定為 3、4、5、6、7、8、9 MPa，模擬計算系列流量值。

可以看出，總體上天然氣在標準參比條件下的體積流量隨壓力增大而增大，故如果壓力值測量產(chǎn)生誤差，比實際值偏大的話，標準孔板計量系統(tǒng)測得的流量值也將偏大。

但壓力值與流量值不是正比關(guān)系，壓力的方根值與流量值也不像式 ( 1) 直觀顯示的那樣成正比關(guān)系。這是因為壓力與式 ( 1)中的多項參數(shù)相關(guān)聯(lián)，壓力 p1 變化，天然氣的動力粘度 μ 變化，管徑雷諾數(shù) ReD 隨之變化非常終導致流出系數(shù) C 發(fā)生變化。只不過流出系數(shù) C 雖然隨管徑雷諾數(shù) ReD變化而變化，但當管徑雷諾數(shù) ReD 增大到某一數(shù)值時，這個變化就很小了，流出系數(shù) C 趨于穩(wěn)定。壓力 p1 變化，還將導致式 ( 1) 中的可膨脹性系數(shù) ε 和超壓縮系數(shù) FZ 發(fā)生變化。非常終流量值的變化趨勢和變化程度是以上跟壓力有關(guān)的多項參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。天然氣標準孔板計量系統(tǒng)中一般通過高準確度的壓力變送器測量壓力，在送檢和使用壓力變送器時要注意正確區(qū)分絕壓表和表壓表，否則因為壓力測量值相差一個當?shù)卮髿鈮?，非常終流量計算值產(chǎn)生很大誤差。

GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規(guī)定，被測壓力較穩(wěn)定時，工作壓力宜在等分刻度壓力儀表滿量程的 30% ～ 75% 范圍內(nèi);被測壓力波動較大時，工作壓力宜在等分刻度壓力儀表滿量程的 30% ～ 70% 范圍內(nèi)。

2. 3 溫度的影響

天然氣具有熱脹冷縮性，溫度對體積計量很關(guān)鍵。將表 1 中已知條件 c) 項氣流溫度分別設(shè)定為 25、30、35、40、45、50、55 ℃，模擬計算系列流量值。

可以看出，總體上天然氣在標準參比條件下的體積流量隨溫度增大而減小，故如果溫度值測量產(chǎn)生誤差，比實際值偏大的話，標準孔板計量系統(tǒng)測得的流量值將偏小。

溫度與式 ( 1) 中的多項參數(shù)相關(guān)聯(lián)，溫度 T1變化，天然氣的動力粘度 μ 變化，管徑雷諾數(shù) ReD隨之變化非常終導致流出系數(shù) C 發(fā)生變化。溫度 T1變化，還將導致式 ( 1) 中的工作溫度下的孔板開孔孔徑 d、可膨脹性系數(shù) ε、超壓縮系數(shù) FZ 和流動溫度系數(shù) FT 發(fā)生變化。非常終流量值的變化趨勢和變化程度是以上跟溫度有關(guān)的多個參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。天然氣標準孔板計量系統(tǒng)中一般通過高準確度的溫度變送器測量溫度，在安裝溫度儀表時要注意溫度計套管或插孔管應(yīng)伸入管道至公稱內(nèi)徑的大約 1 /3 處，對于大于 300 mm 的大口徑管道溫度計的設(shè)計插入深度應(yīng)不小于 75 mm。 GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規(guī)定，天然氣溫度變化應(yīng)在等分刻度溫度儀表滿量程的 30% ～ 70% 范圍內(nèi)。

3 幾何參數(shù)的影響

3. 1 標準孔板開孔孔徑的影響

作為節(jié)流件的標準孔板開孔孔徑 d20嚴重影響壓差測量值從而非常終影響流量計算值。將表 1 中已知條件 b) 項標準孔板開孔孔徑分別設(shè)定為 147. 25、 148. 25、149. 25、150. 25、151. 25、152. 25、153. 25 mm，模擬計算系列流量值。

總體上天然氣在標準參比條件下的體積流量隨標準孔板開孔孔徑增大而增大，故如果標準孔板開孔孔徑值測量產(chǎn)生誤差，比實際值偏大的話，標準孔板計量系統(tǒng)測得的流量值也將偏大。

但標準孔板開孔孔徑的平方值與流量值不像式 ( 1) 直觀顯示的那樣成正比關(guān)系。這是因為標準孔板開孔孔徑不但直接與流量值相關(guān)，而且與式 ( 1) 中的多項參數(shù)相關(guān)聯(lián)，標準孔板開孔孔徑d20與測量管內(nèi)徑 D20的比值直徑比 β 影響式 ( 1)中的流出系數(shù) C、漸進速度系數(shù) E 和可膨脹性系數(shù) ε。非常終流量值的變化趨勢和變化程度是 d20自身以及以上跟 β 有關(guān)的多項參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規(guī)定了 d20≥12. 5 mm 和 0.10≤ β≤0. 75 的限值要求，在設(shè)計和使用標準孔板計量系統(tǒng)時需嚴格遵守，并結(jié)合標準對差壓儀表量程的要求合理選型。標準孔板開孔孔徑 d20一般由設(shè)計單位計算，向生產(chǎn)廠家加工定制，并經(jīng)計量技術(shù)部門檢定/校準，設(shè)計值、加工值、檢測值三者往往并不一致，切不可在計量過程中沿用設(shè)計值或加工值。

3. 2 測量管內(nèi)徑的影響

節(jié)流裝置的測量管內(nèi)徑 D20嚴重影響壓差、管徑雷諾數(shù)的測量值從而非常終影響流量計算值。將 表 1 中已知條件 a) 項測量管內(nèi)徑設(shè)定為 256. 38、 257. 38、258. 38、259. 38、260. 38、261. 38、262. 38 mm，模擬計算系列流量值。

可以看出，總體上天然氣在標準參比條件下的體積流量隨測量管內(nèi)徑增大而減小，故如果測量管內(nèi)徑值測量產(chǎn)生誤差，比實際值偏大的話，標準孔板計量系統(tǒng)測得的流量值將偏小。同樣是幾何尺寸變化 1 mm，測量管內(nèi)徑對流量測量結(jié)果的影響趨勢要比標準孔板開孔孔徑對流量測量結(jié)果的影響趨勢平緩得多。

測量管內(nèi)徑與式 ( 1) 中的多項參數(shù)相關(guān)聯(lián)，它直接影響管徑雷諾數(shù) ReD，標準孔板開孔孔徑d20與測量管內(nèi)徑 D20的比值直徑比 β 也影響式 ( 1)中的流出系數(shù) C、漸進速度系數(shù) E 和可膨脹性系數(shù)ε。非常終流量值的變化趨勢和變化程度是以上跟β有關(guān)的多項參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。

GB /T 21446—2008 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規(guī)定了 50 mm≤D20≤1 000 mm 和 0. 10≤β≤0. 75 的限值要求，也規(guī)定了 ReD ≥ 5 000 的限值要求。節(jié)流裝置在工廠精確加工，測量管內(nèi)徑值 D20在銘牌中明示，使用者直接采用即可。測量管內(nèi)部粗糙、生銹、臟污，突入到測量管內(nèi)部的焊縫或法蘭墊片，都導致標準孔板計量系統(tǒng)參與流量計算的測量管內(nèi)徑比實際值偏大，故流量測量結(jié)果將偏小。

3. 3 其它尺寸的影響

節(jié)流裝置的其它尺寸參數(shù)還包括標準孔板上下游端面的粗糙度、標準孔板厚度和開孔厚度、斜角、邊緣尖銳度、節(jié)流孔的圓度、測量管粗糙度及圓度、上下游直管段長度等，目的是保證氣流流經(jīng)標準孔板以前，其流束與管道軸線平行，形成充分發(fā)展的速度剖面。從分析天然氣流束在標準孔板前后的流動特性，可以得到: 標準孔板厚度超過標準要求造成流量測量值偏大，標準孔板上游側(cè)直管段長度不滿足標準要求也會造成流量測量值偏大，且誤差隨著直徑比 β 的增大而增大。標準孔板安裝反向、偏心、入口邊緣磨損變鈍不銳或受腐蝕發(fā)生缺口，幾種情況都會造成流量測量值偏小。

4 物性參數(shù)的影響

在天然氣體積流量測量中，參與流量計算的物性參數(shù)有多個，非常重要是密度 ρ 和壓縮因子 Z，兩者的作用是等同的。天然氣物性計算依據(jù)的技術(shù)標準主要有兩個: GB /T 17747—2011 《天然氣壓縮 因 子 的 計 算》，修 改 采 用 了 國 際 標 準ISO 12213: 2006，用于工況條件下的天然氣物性參數(shù)計算; GB /T 11062—2014 《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》，修改采用了國際標準 ISO 6976: 1995，用于標準參比條件下的天然氣物性參數(shù)計算。天然氣的密度ρ 和壓縮因子 Z都是根據(jù)天然氣的組成分析結(jié)果進行計算的，因此天然氣的組成分析值對流量測量值影響很大，密度 ρ 的影響非常直接。

改變表 1 中已知條件 i) 項天然氣組成 ( 摩爾分數(shù)) 濃度，模擬計算形成系列值。從表 4 數(shù)據(jù)可以看到，隨著天然氣密度增大，流量測量結(jié)果將變小。故參與流量計算的天然氣相對真實密度如果較真實值偏低 ( 測定的組分偏輕) ，則流量測量結(jié)果將偏大; 反之則偏小。

由天然氣組成分析結(jié)果計算得到的密度 ρ 和壓縮因子 Z 會對式 ( 1) 中的流出系數(shù) C、相對密度系數(shù) FG、可膨脹性系數(shù) ε、超壓縮系數(shù) FZ 均產(chǎn)生影響，不同天然氣組成下流量值的變化趨勢和變化程度是以上多項參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。

用標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量，需關(guān)注與天然氣組成相關(guān)的三個問題: ①取樣是否具有代表性; ②不同的壓縮因子計算方法的不確定度; ③不同的壓縮因子計算方法對天然氣組成摩爾分數(shù)限定條件的適用性。AGA8-92DC 和 SGERG- 88 公式壓縮因子計算不確定度約為 0. 1% ，適用于GB /T 18603—2014 《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》標準附錄 B 表 B. 1 中準確度等級為 A ( 1% ) 或 B ( 2% ) 的天然氣貿(mào)易交接計量系統(tǒng)。而 AGA NX- 19 公式壓縮因子計算不確定度約為 0. 5% ，適用于GB /T 18603—2014 《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》標準附錄 B 表 B. 1 中準確度等級為 C ( 3% ) 的天然氣貿(mào)易交接計量系統(tǒng)或非貿(mào)易交接計量系統(tǒng)。不同的壓縮因子計算方法均有對天然氣中特定組成摩爾分數(shù)的限定范圍，超出限定范圍則壓縮因子 Z 計算不確定度變大甚至無法估計。

5 結(jié)語

( 1) 天然氣標準孔板計量系統(tǒng)的誤差因素分析基于天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式。

( 2) 用標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量是一個多種參數(shù)的混合運算過程，包含了多個復雜的計量工藝參數(shù)、節(jié)流裝置 ( 節(jié)流件、取壓裝置和上下游直管段) 的尺寸參數(shù)、天然氣物性參數(shù)等。

( 3) 天然氣標準孔板計量系統(tǒng)的誤差因素對天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式中的多個參數(shù)同時產(chǎn)生影響，流量測量結(jié)果的變化趨勢和變化程度是公式中多項參數(shù)共同作用的結(jié)果，不可單一、片面地進行推導，借助專業(yè)軟件模擬計算是必需和有效的。

( 4) 深入了解和準確把握影響天然氣標準孔板計量系統(tǒng)各個誤差因素對流量測量結(jié)果的影響趨勢和影響程度，上海自動化儀表有限公司有助于準確評價和把握計量系統(tǒng)性能，在發(fā)生計量異議時幫助查找到問題原因，提供解決異議的技術(shù)手段。