第9章補充：常用流量測量儀表

1、常用流量測量儀表常用流量測量儀表v天然氣流量，可以是體積流量，也可以是質(zhì)量流量，還可以是能量流量。v正在制定的正在制定的ISO標準標準流量計選用指南流量計選用指南列列舉了舉了10類流量計，它們是類流量計，它們是:v1.差壓式2.其它差壓式3.容積式（定排量式）4.轉(zhuǎn)速式5.振蕩頻率式6.電磁式7.超聲式8.質(zhì)量式9.熱式10其它（混雜式） v標準節(jié)流裝置的型式有標準節(jié)流裝置的型式有標準孔板標準孔板,標準噴咀標準噴咀,標準文丘里管標準文丘里管等。等。v標準孔板流量計是一種差壓式流量計，是標準孔板流量計是一種差壓式流量計，是一種在天然氣流量測量中使用得最為廣泛一種在天然氣流量測量中使用得最為廣泛的

2、流量計。的流量計。v標準孔板流量計由節(jié)流裝置、信號引線和標準孔板流量計由節(jié)流裝置、信號引線和二次儀表系統(tǒng)所組成。二次儀表系統(tǒng)所組成。v其二次檢測儀表包括：差壓計、壓力計、其二次檢測儀表包括：差壓計、壓力計、溫度計和相關(guān)參數(shù)檢測儀器溫度計和相關(guān)參數(shù)檢測儀器 v1.1 工作原理 v充滿管道的流體，當它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加增加，靜壓力降低降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒定律定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。 流量方程流量

3、方程式中 qm-質(zhì)量流量，kg/s; C-流出系數(shù)； -可膨脹性系數(shù)； -直徑比，=d/D; d-工作條件下節(jié)流件的孔徑，m； D-工作條件下上游管道內(nèi)徑，m； P-差壓，Pa； -上游流體密度，kg/m3。Pdcqm24124v實測量v 1)d、Dv標準節(jié)流件的直徑比越小，則流體的壓力損失越大v2) v3)P v統(tǒng)計量 v流出系數(shù)C v標準節(jié)流裝置的流出系數(shù)是在節(jié)流件上游流體為典型紊流下，通過實驗取得的。v2) 可膨脹性系數(shù) 1.2 組成和安裝組成和安裝 標準孔板流量計由節(jié)流裝置、信號引線和二次儀表系統(tǒng)組成。 大體上可分為一次儀表、二次儀表和上下游直管段。一次儀表一次儀表 一次儀表有孔板及孔

4、板夾持器。根據(jù)取壓方式不同可分為環(huán)室取壓、 法蘭取壓、角接取壓和D-D/2取壓。 v環(huán)室取壓有均衡壓力 的效果，并能提高測量精度，且壓力信號穩(wěn)定。v SY/T 6143中標準孔板只有法蘭取壓和角接取壓，AGA3號報告只有法蘭取壓。高級孔板閥1.3 標準化標準化 孔板的使用歷史悠久，是所有流量計中唯一一種能標準化的流量計。按標準的要求進行加工、制造和安裝就能達到預(yù)定的準確度。 標準化的內(nèi)容有：v孔板加工的要求：孔徑、值范圍、同心度、表面粗糙度、厚度、開孔厚度e、斜角、邊緣G、H和I等；v孔板夾持器，取壓方式及取壓點位置；v計算公式，各種參數(shù)的計算方法，尤其是流出系數(shù)的計算方法。標準化標準化孔板流

5、量計屬于差壓式流量計的一種，其流量測量可遵循節(jié)流裝置的通用標準及孔板流量計天然氣流體計量的專用標準。 孔板流量計的標準有ISO5167、AGA3號報告、GB2624、JJG 640-94和SY/T6143-96。通用標準中以ISO5167為代表，我國的GB2624、 JJG 640都是采用ISO5167。v專用的天然氣流量節(jié)流裝置測量標準中，以美國的AGA No3（ANSI 2530）為代表，而我國有關(guān)孔板計量天然氣流量的行業(yè)標準SY/T 6143亦屬于天然氣流量孔板專用標準這一類，它與國家標準是一致的，但部分內(nèi)容參考了AGA No3號報告。v標準孔板流量計的專業(yè)標準為中華人民共和國石油天然氣

6、行業(yè)標準 SY/T 6143用標準用標準孔板流量計測量天然氣流量孔板流量計測量天然氣流量 。v該標準由國家發(fā)展和改革委員會于 2004年07月03日發(fā)布， 2004年11月01日起實施。v2006年12月13日，質(zhì)檢總局發(fā)布GB/T 2624-2006“用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量”，2007年7月1日實施。 v2008年，SY/T 6143-2004升級為國家標準GB/T 21446-2008“用標準孔板流量計測量天然氣流量”。2008年2月13日發(fā)布，2008年8月1日實施。 標準化標準化 標準名稱SY/T5167-1996ISO/CD 5167AGA3-2000Cd計

7、算公式老STOLZ公式98版RG公式90版RG公式管徑范圍（D）501000501000孔板開孔直徑12.512.511.43值0.20.750.10.750.10.75上游直管段1070D675D6145D下游直管段49D48D2.84.5D19管束整流器上游直管段525D514.5D1.4 孔板流量計的特點孔板流量計的特點v標準孔板結(jié)構(gòu)易于復制，簡單，牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用期限長，價格低廉。 v標準孔板應(yīng)用范圍極廣泛，至今尚無任何一類流量計可與之相比。全部單相流體，包括液、氣、蒸汽皆可測量，部分混相流，如氣固、氣液、液固等亦可應(yīng)用，一般生產(chǎn)過程的管徑、工作狀態(tài)(壓力，溫度)皆有產(chǎn)品。 v

8、檢測件與差壓顯示儀表可分開不同生產(chǎn)廠生產(chǎn)，便于專業(yè)化形成規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)，它們的結(jié)合非常靈活方便。v標準型檢測件無需實流校準，即可投用，在流量計中亦是惟一的。 v利用孔板或噴嘴等節(jié)流或流量計測量流體流量時，實際量越小，測量結(jié)果誤差越大 。1.5 孔板流量計的缺點孔板流量計的缺點v1)測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平，由于眾多因素的影響錯綜復雜，精確度難以提高。v2)范圍度窄，由于儀表信號(差壓)與流量為平方關(guān)系，一般范圍度僅3:1。v3)現(xiàn)場安裝條件要求較高，如需較長的直管段(指孔板，噴嘴)，占地多。v4)檢測件與差壓顯示儀表之間引壓管線為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結(jié)及信號失真等故障

9、。v5）孔板臟污、磨損和粉塵的沉積對計量準確度影響較大，一般都使計量偏低；v6)壓損大，不適于長輸管線計量。 天然氣計量儀表天然氣計量儀表2.1 工作原理 用于天然氣流量測量的超聲流量計使用的是傳播時間法。圖4.1 為直射式超聲流量計的工作原理示意圖。圖圖4.1 工作原理圖工作原理圖一、超聲流量計的結(jié)構(gòu) 對射式單聲道超聲流量計的有關(guān)計算方法工作原理 在管壁兩邊安裝一對斜角為的超聲換能器，兩個換能器同時或定時向?qū)Ψ桨l(fā)射和接收對方的超聲信號。此時順流和逆流的接收時間為： cosVCLtUcosVCLtD式中：tD超聲波從上游換能器傳至下游換能器所需要的時間； tU超聲波從下游換能器傳至上游換能器所

10、需要的時間； L上下游換能器之間的距離； C超聲波聲速； V流體沿管徑方向的流速； 超聲換能器與管徑方向的安裝角度。工作原理 由上述兩式推導出流體流速和流量的計算公式如下：)11(cos2baabttLVAVq 式中：q流體在管道中的工況流量； A管道橫截面積。 由此可見，超聲流量計的測量精度取決于聲道長度L和時間測量準確度。2.2 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 根據(jù)換能器多少，目前氣體超聲流量計有一至六聲道流量計；根據(jù)超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射三種。 一、超聲流量計的結(jié)構(gòu)插入式單聲道超聲流量計反射式或叫折射式對射式或叫直射式LFlowXD2.3 計量性能計量性能v大量的測試表明，將多

11、聲道超聲流量計安裝在上游大于20D的直管段，下游大于10D的直管段，且無擾流和超聲噪音干擾的理想管路中，超聲流量計可以獲得0.5%的系統(tǒng)不確定度，甚至可能更高 。典型曲線如下圖所示。A.G.A. No.9報告指出超聲流量計具有同等計量準確度的雙向流檢測性能，許多測試和研究證明了這一性能 。v單聲道超聲流量計一般不用于貿(mào)易計量，其在試驗室的理想管路中測試誤差一般為1%，在條件較好時可以達到0.5%。 計量性能（續(xù)）計量性能（續(xù)）-0.50-0.40-0.30-0.20-0.100.000.100.200.300.400.500.01000.02000.03000.04000.05000.0600

12、0.07000.0工況流量( m3/h)相對示值誤差(%)2.4 計量特性計量特性v工作原理簡單，有望成為基準流量計；v測量準確度高，量程比大，一般都是1：20，可達到1：100；v適應(yīng)性強，上游10D、下游5D；加上表體約20D，占地少；v無可動部件，可直接進行清管作業(yè)；v受壓力變化影響小，在最低使用壓力下校準后，就可在全范圍內(nèi)使用；v為高科技產(chǎn)品，各廠家的產(chǎn)品都有其獨特的專利技術(shù)，一次性投資高；v多聲道，尤其是五聲道流量計能適用多種流態(tài)；v對有超聲干擾的場合慎用。2.5氣體超聲流量計與其它流量氣體超聲流量計與其它流量計的性能比較計的性能比較 v1）美國一研究團體從1996年開始將一臺8in

13、超聲流量計在西南研究院標定后，串聯(lián)于一個有三塊孔板流量計的原有測量系統(tǒng)中，超聲流量計安裝在兩個相距12D的同平面L形彎頭后20D，孔板流量計的安裝滿足A.G.A. No.3報告最低要求。經(jīng)過19個月的試驗表明：超聲流量計用于貿(mào)易計量是可行的，可以代替孔板流量計，但需要進行實流檢定；為避免大的流量誤差，需對超聲流量計二次儀表的檢定給予注意。v2）由Statoil和Ruhrgas發(fā)起，Gaz de France參加，旨在收集大口徑超聲流量計和渦輪流量計現(xiàn)場經(jīng)驗的實驗中，將超聲和渦輪流量計與孔板串聯(lián)在一個計量回路，經(jīng)17個月的運行顯示：超聲流量計與孔板流量計均未發(fā)生任何故障，渦輪流量計在運行了11個

14、月后出現(xiàn)故障。超聲流量計和渦輪流量計的計量值與孔板偏差均在0.25%以內(nèi)。v3）超聲流量計相對于孔板流量計而言，其突出的優(yōu)點尚在于約100:1的量程比，幾乎沒有截止流量。BG將一臺DN450的多聲道超聲流量計在Bishop Auckand測試裝置測試之后，與一臺孔板流量計串聯(lián)在現(xiàn)場的貿(mào)易計量管路中。在孔板的正常流量范圍，兩套系統(tǒng)均能正常計量；當用戶使用氣量較低時，孔板流量計因為截止流量不能計量，而超聲流量計仍能正常計量。 幾種主要流量計性能比較：項目孔 板渦 輪 超 聲 渦街 量程比 1：3（5）1：501：1001：20壓降 大中無中雙向流計量 否 否 能否 臟污或濕氣測量 不可以 不可以

15、可以 不可以 管道維護不方便不方便方便不方便2.6 標準化標準化隨著數(shù)字化超聲流量計的相對成熟，美國天然氣協(xié)會于1998年6月出版了用多聲道超聲流量計測量天然氣流量技術(shù)報告（A.G.A No. 9），國際標準化組織也于1998年12月頒布了用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內(nèi)的流體流量技術(shù)報告（ISO/TR 12765），用于規(guī)范超聲流量計的準確度、功能和測試要求，同時對其計量原理、結(jié)構(gòu)特點作了描述，是臨時性的指導準則。我國參照AGA9號報告編寫了國標GB/T 18604-2002用氣體超聲流量計測量天然氣流量 ，2002年發(fā)布實施。vJJG1030-2007超聲流量計檢定規(guī)程。天然氣計量儀表

16、天然氣計量儀表 3.1 工作原理工作原理 渦輪流量計是屬于速度式流量計。如圖5.1所示，其工作原理是在管道中安裝一個自由轉(zhuǎn)動、軸與管道 同心的葉輪。當流體流過時，帶動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪帶動與之相連的齒輪或電磁感應(yīng)線圈。管道中流體的流速大小與葉輪轉(zhuǎn)速成正比。在實際應(yīng)用中，渦輪是要求進行實流校準的，流量計算公式如下： 式中：qf工況體積流量,m3/s; N流量計每秒的脈沖數(shù)； k流量計儀表系數(shù)，s/m3。 kNfq 渦輪流量計原理圖工作原理 1葉輪 2軸承 3磁鐵 4感應(yīng)線圈 5殼體 6導向件圖圖3.1 渦輪流量工作原理圖渦輪流量工作原理圖3.2 計量特性計量特性v準確度高，一般計量不確定度為0.51

17、.0%，精選渦輪可達到0.25%。v靈敏度高，量程寬，量程可達到1:30。v儀表系數(shù)與雷諾數(shù)成比例關(guān)系而不受介質(zhì)、壓力、溫度和流量計的影響，可校正性強。v有可動部件，易于損壞v抗臟污能力差，對介質(zhì)的干凈程度要求高。3.3影響渦輪流量計性能的因素影響渦輪流量計性能的因素 v3.3.1 漩渦影響漩渦影響v3.3.2 速度剖面影響速度剖面影響v3.3.3 脈動影響脈動影響v3.3.4 壓力密度對流量測量準確度的影響壓力密度對流量測量準確度的影響3.4 改進產(chǎn)品改進產(chǎn)品 為了提高渦輪流量計的計量性能和適應(yīng)性，不同廠家都對渦輪進行了改進，目前有如下產(chǎn)品。v 雙葉輪，提高渦輪的可靠性。v鋁合金葉輪，提高渦

18、輪的靈敏度和抗沖擊能力。v一體化整流器，提高渦輪的準確度和和抗沖擊能力。v密封式軸承，提高渦輪的抗臟污能力。 3.5 標準化標準化 渦輪流量計的計量標準有AGA7號報告和ISO 9951。在ISO 9951（1992）.ISO 2715 、OIML R6 、R32、AGA NO7（1981）、ANSI/ASME MFC-4M（1986）標準中給出氣體渦輪流量計的準確度為1%，重復性為0.1%。我國亦頒布了有關(guān)行業(yè)標準（TZX112000）、 JJG198-94速度式流量計檢定規(guī)程。我國今年將參照AGA7號報告和ISO 9951制定用于天然氣流量計量的標準。v2008年，我國參照AGA7號報告和

19、ISO 9951制定用于天然氣流量計量的標準，2008年02月02日發(fā)布GB/T 21391-2008“用氣體渦輪流量計測量天然氣流量”。2008年08月01日實施。v2008年3月25日，國家質(zhì)檢總局發(fā)布新的JJG1037-2008“渦輪流量計”檢定規(guī)程，2008年6月25日實施。天然氣計量儀表天然氣計量儀表 5.1 工作原理工作原理 旋進旋渦流量計是屬于旋渦流量計，是采用流體的強迫振蕩原理產(chǎn)生旋渦。5.2標準和規(guī)范標準和規(guī)范 vTZX11-2000企業(yè)標準、JJG198-94速度式流量檢定規(guī)程。 評價指標評價指標按JJG198-94速度式流量計檢定規(guī)程進行：vA類：流量范圍、重復性、儀表系

20、數(shù)、線性度vB類：重復性、示值誤差、基本誤差5.3 計量特性計量特性 典型的旋進旋渦流量計性能表公稱通徑流量范圍，m3/h量程比準確度2523015:113246015:1/20:11/1.5501015015:1/20:11/1.5803045015:1/20:11/1.51006090015:1/20:11/1.5150130195015:1/20:11/1.5200240360015:1/20:11/1.55.4 優(yōu)缺點優(yōu)缺點 v優(yōu)點優(yōu)點：v使用壽命長；v 線性測量范圍寬；v儀表特性幾乎不受被測介質(zhì)的溫度、壓力、密度、粘度、成分等變化的影響；v測量精度高（1%，重復性0.5%）v結(jié)構(gòu)簡單

21、,維修方便v對流體在管道內(nèi)的流速分布要求不高. 優(yōu)缺點優(yōu)缺點v缺點缺點:v管徑受限,適于測量管徑為200毫米以下流體;v壓力損失較大;v所用介質(zhì)是不帶顆粒,不帶水滴,不帶粘污物的純凈氣體,否則應(yīng)在變送器前安裝過濾器;v清洗或拆裝漩渦發(fā)生體應(yīng)重新標定;v周圍環(huán)境溫度應(yīng)不大于+45,外磁場不大于50C,環(huán)境振幅不大于0.1mm,頻率不大于25HZ。5.5 產(chǎn)品介紹產(chǎn)品介紹 旋進旋渦流量計是近期在國內(nèi)發(fā)展很快，尤其是微功耗智能式旋進旋渦流量計，在小流量、偏遠地區(qū)的天然氣計量占據(jù)很大的份量。為了提高計量準確度、適應(yīng)性抗干擾能力，浙江天信公司利用流態(tài)軟件預(yù)測管道中的流態(tài)，開發(fā)了雙探頭(TSD)流量計。5

22、.6 小結(jié)v 該類型流量計無可動部件，無機械磨損，不會有卡、堵故障。測量流量比大，更換檢測元件勿需要標定。由于它的結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、使用方便，在石油、化工、電力、冶金等行業(yè)內(nèi)部計量，特別是居民生活用氣的低壓系統(tǒng)總計量中得以應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，可以預(yù)料它在天然氣計量中將是一個很有發(fā)展前途的流量計 天然氣計量儀表天然氣計量儀表 6.1 簡介簡介v 容積式流量計又稱排量流量計（positive displacement flowmeter），簡稱PD流量計或PDF，在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)計量室逐次、重復地充滿和排

23、放該體積部分流體的次數(shù)來測量流量體積總量。PD流量計一般不具有時間基準，為得到瞬時流量值需要另外附加測量時間的裝置。定排量測量方法可追溯到18世紀，20世紀30年代進入普遍商業(yè)應(yīng)用。v 容積式流量計品種繁多，結(jié)構(gòu)形式亦多種多樣，但其主要部件組成大同小異，現(xiàn)舉腰輪流量計作為范例說明。 6.2 工作原理圖6.1 工作原理圖工作原理 如圖6.1所示，腰輪流量計的工作原理可描述如下：6.1.1 當共軛轉(zhuǎn)子A和B在圖 a）時，轉(zhuǎn)子A上的作用合力矩達到平衡，轉(zhuǎn)子B上的作用合力矩不平衡而順時針轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)動齒輪帶動轉(zhuǎn)子A逆時針轉(zhuǎn)動。6.1.2 當轉(zhuǎn)子A和B轉(zhuǎn)至圖 b）時，作用轉(zhuǎn)子B上的力矩逐漸增大，直至圖

24、b）位置。6.1.3 轉(zhuǎn)子A和B交換位置，重復6.1.1。6.1.4 每當共軛轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，就有4個陰影部份的流體排出。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)通過齒輪或脈沖裝置傳達至積算單元而得到流體總體積量。6.3 計量特性計量特性 優(yōu)點：PDF計量精度高，基本誤差一般為0.5R，特殊的可達0.2R或更高。通常在昂貴介質(zhì)或需要精確計量的場合使用。PDF在旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件流速場畸變時對計量精確度沒有影響，沒有前置直管段要求。這一點在現(xiàn)場使用中有重要的意義。PDF可用于高粘度流體的測量。范圍度寬，一般為10：1到5：1，特殊的可達30：1或更大。PDF是直讀式儀表，無需外部能源，可直接獲得累計總量，清晰明了，操作簡便。在

25、以體積流量計組合的間接法質(zhì)量流量測量中，PDF與速度式等推導體積流量計相比，所的體積是直接幾何量，體積量的影響因素要單純些。在不適合采取密度計測量的高壓天然氣測量中，不易處理的氣體壓縮系數(shù)，用PDF可間接求得。 計量特性計量特性 缺點： PDF結(jié)構(gòu)復雜，體積大，笨重，尤其較大口徑PDF體積龐大，故一般只適用于中小口徑。與其他幾類通用流量計（如差壓式、浮子式、電磁式）相比，PDF的被測介質(zhì)種類、介質(zhì)工況（溫度、壓力）、口徑局限性較大，適應(yīng)范圍窄。 由于高溫下零件熱膨脹、變形，低溫下材質(zhì)變脆等問題，PDF一般不適用于高低溫場合。目前可使用溫度范圍大致在-30+160，壓力最高為10MPa。 大部分PDF儀表只適用潔凈單相流體，含有顆粒、臟污物時上游需裝過濾器，既增加壓損，又增加維護工作；如測量含有氣體的液體必須裝設(shè)氣體分離器。 PDF安全性差，如檢測活動件卡死，流體就無法通過，斷流管系就不能應(yīng)用。但有些結(jié)構(gòu)設(shè)計（如Instromet公司腰輪流量計）在殼體內(nèi)置一旁路，當檢測活動元件卡死，流體可從旁路通過。 部分形式PDF儀表（如橢圓齒輪式、腰輪式、旋轉(zhuǎn)活塞式等）在測量過程中會給流動帶來脈動，較大口徑儀表還會產(chǎn)生噪聲，甚