新式差壓流量計的性能試驗與評價

新式差壓流量計的性能試驗與評價第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

摘要：本文介紹了一種新型的節(jié)流式差壓流量計，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在紡錘體直徑段部分能形成環(huán)形槽道流動，使測量重復性、精確度、量程范圍得到大幅提高。同時給出了實驗室的測試和驗證結(jié)果，介紹了在油田現(xiàn)場試驗情況，最后給出了結(jié)論。

關鍵詞：流量測量差壓流量計槽道流動天然氣計量第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五前言

節(jié)流式差壓流量計的應用范圍極為廣泛，傳統(tǒng)的節(jié)流件主要有孔板、噴嘴和文丘利管等。它們用于流量計量已有近百年的歷史，并且積累了大量實踐經(jīng)驗，國內(nèi)和國際標準化組織也制定了有關的標準。由于孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單、易于復制，通用性強，價格低廉而獲得大量應用。但是，孔板流量計存在量程范圍窄，壓力損失大，現(xiàn)場安裝要求的直管段過長等缺點。特別2003年3月由國際標準化組織（ISO）正式公布了差壓式流量計的最新國際標準ISO5167，對差壓式流量計提出了苛刻的要求，使得孔板流量計的缺點更加突出。一種新式差壓流量計的性能試驗與評價一、第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五因此，科研人員對差壓式流量計的研究工作一直沒有中斷。南京航空航天大學研究出了一種新式節(jié)流式差壓流量計——槽道流量計。該流量計打破了傳統(tǒng)的思維方式，以流線型紡錘體作為節(jié)流件，將流體逐漸地節(jié)流收縮到管道的內(nèi)邊壁，在調(diào)整流動和保持流動穩(wěn)定方面更勝一籌，使得從根本上大幅提高測量重復性和準確度成為可能，同時顯著減少了壓力損失。然而，很多專家對流量計的準確度、重復性、量程范圍、前后直管段的要求提出了疑問，帶著這些問題我們做了測試工作。一一種新式差壓流量計的性能試驗與評價前言第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五紡錘體流量計節(jié)流裝置的主要結(jié)構(gòu)有如圖1(a)(b)所示的兩種形式。流線型紡錘體沿測量管軸線安裝，其幾何形狀根據(jù)流體力學原理精心設計，中部適當位置有一段足夠長的等直徑段，與測量管的內(nèi)壁之間形成均勻的環(huán)形通道。被測流體首先經(jīng)過導流片，緊接著進入該環(huán)形通道，形成標準的環(huán)形槽道流動（annularchannelflow）。槽道流動的特點是壓力順軸線的降落具有良好的線性度，從而提供了非常穩(wěn)定的低壓（靜壓）。二一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計基礎理論研究（一）結(jié)構(gòu)第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五對于清潔流體，節(jié)流裝置可采用(b)形式，高壓由紡錘體前緣（前駐點）的高（總）壓管引出，可以得到最大的差壓。(a)形式的節(jié)流裝置在紡錘體前緣對應的測量管壁處取高壓，得到的差壓較(b)形式低，但結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣。二一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計基礎理論研究（一）結(jié)構(gòu)第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價節(jié)流裝置剖面圖

圖一、第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價產(chǎn)品樣本圖圖二、（二）工作原理節(jié)流式差壓流量計一般工作原理如下：當流體經(jīng)過一個節(jié)流件時，流體速度加快，動能增加，流體的靜壓力減少，根據(jù)流體的流動連續(xù)性原理和伯努利方程，所有的節(jié)流式差壓流量計都可使用同一形式的流量公式：(1)

(2)

式中：式中：qv為體積流量；qm為質(zhì)量流量；C為流出系數(shù)；ε為可膨脹性系數(shù)；d為節(jié)流件的孔徑或等效孔徑；D為上游管道內(nèi)徑；β為節(jié)流比系數(shù)，；β=d/D為差壓；△p為上游流體密度。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五圖2(a)為紡錘體附近的流線分布，圖3(b)為相同條件下孔板附近的流線分布?？梢钥闯?，流體穩(wěn)定順滑地流過紡錘體，整個流場內(nèi)沒有出現(xiàn)流動分離；而孔板后方存在很大的分離區(qū)。流動分離會產(chǎn)生大量的旋渦。一方面由于旋渦的粘性耗散會大幅增加流體的壓力損失；另一方面分離區(qū)內(nèi)壓力會產(chǎn)生脈動，且對來流條件非常敏感。因此，紡錘體流量計造成的壓力損失會比孔板流量計大幅減小，并且測量壓力的重復性會明顯提高。

二槽道流量計基礎理論研究（三）流場的數(shù)值模擬一種新式差壓流量計的性能試驗與評價1、流線分布第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五紡錘體與孔板附近的流線分布對比

圖二、圖2紡錘體與孔板附近的流線分布對比(）第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

從圖3可以看出，在環(huán)形槽道區(qū)域，壓力等值線沿軸向分布非常均勻。這說明壓力沿軸線呈線性下降，壓力分布被“標準化”為槽道流動的壓力分布。該區(qū)域各點的壓力應該非常穩(wěn)定，幾乎不存在任何脈動。二一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計基礎理論研究

2、流體壓力分布第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五紡錘體附近的壓力等值線分布

圖三、圖3紡錘體附近的壓力等值線分布

(）第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

當來流均勻（軸對稱），上游平均流速時，紡錘體附近流場的速度分布如圖4所示，從圖4可以看出，流體進入紡錘體等直徑段后，速度分布很快被“標準化”為環(huán)形槽道流動的速度分布。壓力分布隨著速度分布的“標準化”也被“標準化”。在這樣“標準化”的穩(wěn)定流動中，各點的壓力非常穩(wěn)定，幾乎不存在任何脈動。同時，這一段也是流場中壓力最低的區(qū)域。在這一段取低壓，顯然比以往差壓流量計在充滿大量不穩(wěn)定旋渦的分離區(qū)取低壓，能夠達到更好的重復性和更高的精確度。二一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計基礎理論研究3、流體的速度分布第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五紡錘體附近的壓力等值線分布

圖三、圖4紡錘體附近的速度等值線分布

(）第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

為了驗證槽道流量計的可行性，我們選擇南口徑分別是DN100mm和DN50mm兩臺槽道流量計在檢定室進行測試，分別從流量系數(shù)與雷諾系數(shù)的關系、準確度、重復性、量程范圍、前端直管段的影響、前端閘門的影響六個方面進行測試分析，測試地點為油田天然氣流量檢定站，測試時間間隔為兩個月。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

試驗標準裝置是音速噴嘴氣體流量標準裝置，該裝置不確定度優(yōu)于0.3%；采用負壓法檢定，測試介質(zhì)為干燥的空氣，流量范圍為(5-2700)m3／h；測試流量計口徑范圍為DN50mm-DN200mm；氣密性C≤0.05%；重復性б≤0.1%。該裝置由中國計量科學院考核合格，能檢定四種類型的氣體計量儀表。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果（一）試驗標準裝置介紹第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

在音速噴嘴氣體流量標準裝置上分別對DN100和DN50槽道流量計進行檢定，排量由高到低均勻的選擇十到十三個檢定點，在每個檢定點上分別記錄槽道式流量計所指示的差壓、壓力P、氣體溫度T和音速噴嘴氣體流量標準裝置的標準質(zhì)量流量，最后由公式（6）計算出流量系數(shù)K和雷諾數(shù)Re，K與Re的關系曲線如圖（5），標準流量Q與的關系曲線如圖（6）。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果（二）流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關系試驗

第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價DN100圖五、

（a）DN100mm圖5流量系數(shù)K與Re的關系曲線

第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

DN50圖五、

（a）DN50mm圖5流量系數(shù)K與Re的關系曲線

第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價DN100圖六、

（a）DN100mm圖6壓差與流量的關系

第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價DN50圖六、

（a）DN50mm圖6壓差與流量的關系

第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

從圖（5）和圖（6）中可以看出，流量系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)出水平直線關系，說明槽道流量計的計量性能非常穩(wěn)定，有較高的測量范圍。槽道流量計的差壓的平方根與標準流量也是直線關系，這對流量計的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，只要測量出槽道流量計的差壓值就能夠準確測量流體的流量。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

在音速噴嘴氣體流量標準裝置上，按照差壓式流量計檢定規(guī)程，分別對DN100和DN50槽道流量計，從高流量到低流量依次進行檢定5個流量點，每個流量點檢定三次，在檢定范圍內(nèi)相對誤差與流量的關系如圖（9），從圖（9）可以看出：槽道式流量計用于氣體流量測量準確度可達到0.5%，是目前氣體流量測量中準確度比較高的流量儀表之一。槽道流量計的量程比最小為7：1。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果（三）準確度試驗結(jié)果

第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五紡錘體與孔板附近的流線分布對比

圖七、圖7槽道流量計檢定流量范圍內(nèi)的誤差（a）DN100mm（a）DN50mm第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

在相同條件下，在短時間內(nèi)，分別在、0.75、0.4三個流量點，在音速噴嘴氣體流量標準裝置上重復測量10次，計算每個流量點的重復性，最后從三個流量點的重復性中找出最大的數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)如表1，槽道式流量計重復性小于0.1%三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果（四）重復性試驗結(jié)果第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五標準裝置的不確定度:δ≤0.3%；

三、流量點Qmax0.75Qmax0.4QmaxDN1000.059%0.035%0.055%DN500.066%0.048%0.092%槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

在已經(jīng)檢定準確的DN100和DN50槽道流量計入口前端分別依次安裝1D-8D直管段，在直管段后直接安裝由四個標準彎頭組成的“U”型管，對每個直管段分別在、0.7、0.4三個流量點在標準裝置上標定，每個流量點標定三次，最后記錄下標準質(zhì)量流量和儀表顯示的質(zhì)量流量及相關數(shù)據(jù)，根據(jù)儀表的誤差找出影響槽道流量計最小直管段長度，槽道流量計相對誤差與直管段長度關系圖如圖（8），從圖（8）中可以看出槽道流量計前直管段最小需要5D。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果（五）直管段影響試驗第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

槽道流量計的相對誤差與直管段關系圖八、

（a）DN50mm圖8槽道流量計的相對誤差與直管段關系

（a）DN100mm第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

在槽道流量計前安裝6D直管段,在直管段前安裝碟型閥門,閥們開度分別由滿度的100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%開啟，在50%的流量點上進行檢定，每個檢定點檢定三次，最后記錄標準流量和儀表顯示流量，計算閥門影響帶來的誤差，如圖（9），從圖（9）可以看出，槽道流量計前端閥門開度對流量計的誤差影響很大，在流量計運行時，流量計前端的閥門開度至少大于80%。三一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計檢定室內(nèi)測試結(jié)果（六）閥門影響實驗第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

閥門開度與示值誤差關系圖

圖九、

（a）DN50mm圖9閥門開度與示值誤差關系圖

（a）DN100mm第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

在試驗室取得試驗數(shù)據(jù)的基礎上，我們進行了現(xiàn)場應用試驗，把槽道流量計分別安裝在不同的油田區(qū)塊，不同的天然氣計量介質(zhì)，用于不同的計量用途，分別做了槽道流量計與孔板流量計的比對試驗、槽道流量計與渦輪流量計的比對試驗和槽道流量計與槽道流量計長距離的串聯(lián)比對試驗?？装辶髁坑嫼蜏u輪流量計都是計量天然氣非常成熟的計量儀表，在國內(nèi)外通常用于天然氣貿(mào)易計量，如果槽道流量計與以上流量計比對試驗成功，在天然氣貿(mào)易計量領域?qū)嘁幻蓡T。四一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計用于天然氣計量現(xiàn)場應用情況

第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

（一）、槽道流量計與孔板流量計的比對試驗把孔板流量計與DN100槽道流量計進行串聯(lián)安裝，通過記錄每天儀表顯示數(shù)據(jù)，孔板流量計與槽道流量計顯示數(shù)據(jù)的差別。1、現(xiàn)場實驗基本情況介紹（1）安裝試驗地點：勝利油田河口采油廠天然氣外輸站（2）計量用途：埕東油田天然氣外輸量（3）計量介質(zhì)條件：計量介質(zhì)是天然氣；壓力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.1MPa，P常用=0.15MPa;溫度：tmax=65℃，tmin=12℃,t常用=40℃,天然氣相對空氣密度ρ=0.7365,流量Qmax=900m3/h,Qmin=500m3/h，天然氣管道口徑DN=100mm。四一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計用于天然氣計量現(xiàn)場應用情況

第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

圖十（4）安裝圖如下：槽道流量計與孔板流量計比對實驗安裝圖第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

2、實驗結(jié)果比對結(jié)果如圖（10），從圖中可以看出槽道流量計與孔板流量計計量基本一致，產(chǎn)生的誤差很小，誤差的來源主要是槽道流量計與孔板流量計使用的天然氣密度略有差別，導致槽道流量計計量數(shù)據(jù)偏低。從計量性能上看槽道流量計可以等同于孔板流量計使用。四一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計用于天然氣計量現(xiàn)場應用情況

第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

槽道流量計與孔板流量計的比對曲線圖十圖10槽道流量計與孔板流量計的比對曲線第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

（二）、槽道流量計與渦輪流量計的比對試驗把DN50槽道流量計與渦輪流量計串聯(lián)安裝在油田現(xiàn)場，記錄兩臺流量計顯示的數(shù)據(jù)，計算兩臺流量計之間的誤差，比較它們之間的差別。1、現(xiàn)場實驗基本情況介紹（1）安裝試驗地點：勝利油田河口采油廠渤一站（2）計量用途：卡爐天然氣消耗計量（3）計量介質(zhì)條件：計量介質(zhì)是天然氣；壓力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.05MPa，P常用=0.16MPa;溫度：tmax=50℃，tmin=3℃,t常用=15℃,天然氣相對空氣密度ρ=0.7637,流量Qmax=90m3/h,Qmin=200m3/h，天然氣管道口徑DN=50mm。四一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計用于天然氣計量現(xiàn)場應用情況

第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

圖（4）安裝圖如下：槽道流量計與渦輪流量計的比對試驗安裝圖

第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

2、實驗結(jié)果

比對結(jié)果如圖（11），從圖中可以看出槽道流量計與渦輪流量計基本一致，特別是最后四天曲線基本重合。從現(xiàn)場的瞬時流量顯示看完全一樣。從計量性能上看槽道流量計可以等同于渦輪流量計使用。四一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計用于天然氣計量現(xiàn)場應用情況

第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

槽道流量計與孔板流量計的比對曲線圖11圖11槽道流量計與渦輪流量計的比對曲線第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五比對試驗，試驗自2006年10月12號開始，歷經(jīng)四個月的時間，試驗結(jié)果如圖（12），從試驗過程看槽道流量計性能穩(wěn)定、故障率底、抗干擾強、準確度高、量程范圍寬。四一種新式差壓流量計的性能試驗與評價槽道流量計用于天然氣計量現(xiàn)場應用情況

(三)槽道流量計長距離串聯(lián)比對試驗第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一種新式差壓流量計的性能試驗與評價

槽道流量計長距離比對試驗曲線圖12圖12槽道流量計長距離比對試驗曲線

第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五該流