【摘要】文章根據(jù)我國天然氣流量計量儀表的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)孔板流量計和渦輪流量計的特點(diǎn)及存在問題，通過理論分析及實(shí)踐的討論，提出了采用一體化天然氣流量計計量天然氣流量的方案，為我國天然氣流量計量提供了新的思路。
1、問題的提出
我國天然氣的使用在超高速的發(fā)展，西氣東輸一、二、三期工程建設(shè)及境外天然氣輸氣管線的引進(jìn)力度，天然氣用量連年翻番，從2000年年用量約200億m3增至2010年約1000億m3，據(jù)稱，預(yù)計2020年達(dá)到4000億m，占能源份額約10％，但與上一般為30％～40％相比仍然低得多。
天然氣用戶遍布全國，輸氣管網(wǎng)及其配套流量計數(shù)量十分龐大，終端用戶城市有工礦企業(yè)及商業(yè)、民用用戶，情況十分復(fù)雜，需求多種多樣。如此量大面廣的用戶，流量計的選型就顯得特別重要，不僅要考慮儀表計量準(zhǔn)確度等技術(shù)要求，還要考慮儀表的維護(hù)與校驗(yàn)的成本。據(jù)儀表機(jī)構(gòu)綜合分析，天然氣輸氣管線流量儀表應(yīng)為三大主力儀表：孔板流量計、渦輪流量計和氣體超聲流量計。理論分析和實(shí)踐證明，這三種儀表各項性能指標(biāo)各有優(yōu)劣，本文試圖通過孔板流量計、渦輪流量計儀表性能指標(biāo)的比較，根據(jù)GB／T18603-2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》，提出天然氣流量計量儀表若干選型原則，結(jié)合我國國情向用戶推薦用一體化天然氣流量計測量天然氣流量。
2、歷史的回顧
長期以來，孔板流量計為天然氣輸氣管線上的主要流量計，20世紀(jì)70年代后渦輪流量計成為僅次于孔板流量計的主力儀表，只是在本世紀(jì)初氣體超聲流量計才在上推廣。孔板、渦輪流量計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范已經(jīng)成熟，而氣體超聲流量計的標(biāo)準(zhǔn)尚在擬議中。由此可見，我國天然氣流量計量應(yīng)該選用孔板和渦輪作為主要儀表。
孔板流量計在天然氣流量測量中的應(yīng)用已有一百多年歷史，可以不夸張地說，正是天然氣流量測量才使孔板流量計達(dá)到今天的技術(shù)成熟，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范豐富，奠定了作為*大類流量計的地位。20世紀(jì)70年代以前孔板流量計已發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)型流量計，其特點(diǎn)有三：(1)結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)化；(2)標(biāo)準(zhǔn)給出節(jié)流件的流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)及計算公式；(3)現(xiàn)場影響量的試驗(yàn)廣泛深入，是上通用的。正是借助這些特點(diǎn)引出二大使用特性：(1)節(jié)流件無須實(shí)流校準(zhǔn)，可根據(jù)節(jié)流件結(jié)構(gòu)形狀、技術(shù)要求、流體特性求得流量與信號的關(guān)系及其測量不確定度；(2)流量計投用現(xiàn)場后，如果使用條件偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可利用影響量試驗(yàn)研究資料進(jìn)行修正(或補(bǔ)償)。孔板流量計作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置*品種，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在ISO5167：2003(E)及AGAN03(HNSI／API2530)中詳細(xì)列舉，在全部流量計中它的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范是zui豐富、zui完善的。目前其它已有標(biāo)準(zhǔn)的流量計，如渦輪、電磁、渦街、質(zhì)量等，都沒有上述三個特點(diǎn)，因此，亦不具有二大使用特性。近年(20世紀(jì)9O年代后)，由于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、新材料、新工藝的突破性進(jìn)展，新型流量計(渦輪、渦街、電磁、超聲、質(zhì)量)有長足發(fā)展，在市場激烈競爭中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計*不斷下降，此類流量計缺點(diǎn)成為人們評價重點(diǎn)，如測量準(zhǔn)確度不高、范圍度窄、壓損大、安裝條件苛刻、故障多等等，使標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計似有被邊緣化的危險。針對上述缺點(diǎn)，技術(shù)工作者經(jīng)過長期的改進(jìn)與創(chuàng)新，并借助二次儀表(差壓變送器和流量計算機(jī))的突破性進(jìn)展，使全套標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式流量計性能煥然一新，如準(zhǔn)確度可以滿足GB／Tl8603-2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》*(1．0)和GB17167_2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》天然氣(2．0)的規(guī)定，量程比達(dá)10：1或更寬；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為一體化，消除安裝瓶頸，故障大幅下降；壓損大應(yīng)考慮除孔板外的噴嘴或文丘里管等節(jié)流件等。已有業(yè)內(nèi)人士建議應(yīng)重新審視此類流量計，給予其正確的評價；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流式差壓流量計應(yīng)重新恢復(fù)其*的地位。
在美國和歐洲渦輪流量計是僅次于孔板流量計占第二位的天然氣流量計，渦輪流量計的主要特點(diǎn)為：高準(zhǔn)確度，一般為±1％R～±1．5％R，特殊的為4-0．5％R～4-1．0％R，高重復(fù)性，短期重復(fù)性可達(dá)4-0．05％～±0．2％，正是由于良好的重復(fù)性，若經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)，可得高準(zhǔn)確度，是貿(mào)易交接優(yōu)先選用的流量計；輸出為脈沖信號，適于總量計量及與計算機(jī)連接，無零點(diǎn)漂移，抗*力強(qiáng)，信號分辨力強(qiáng)(頻率達(dá)3kHz～4kHz)，量程比寬，中大口徑40：1～10：1，小口徑6：1～5：1。結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大。應(yīng)該指出，上述優(yōu)良特性只在實(shí)驗(yàn)室參比工作條件下方能維持。在現(xiàn)場渦輪流量計是一種易受現(xiàn)場影響量干擾的流量計，現(xiàn)場影響量主要為二項：流動特性和流體物性。流體流動特性影響主要是流體受管道配件(阻流件)干擾而引起的速度分布畸變和渦流等，其它為非定常流干擾(脈動流等)。流體物性又分為流體物性(物理性質(zhì))和流體性狀，流體物性主要影響因素為密度和粘度，對于天然氣應(yīng)特別注意密度的變化，密度影響在低流量區(qū)域較大，若密度低(壓力下降)下限流量升高，亦即范圍度變窄，線性度變差。在常壓空氣中校準(zhǔn)的渦輪流量計應(yīng)通過相關(guān)公式進(jìn)行換算。流體性狀指腐蝕、積垢、臟污、凍結(jié)、相變、混相等，它會改變管道壁粗糙度、流通面積、渦輪葉片及通道狀況，流量計特性隨之改變，不再維持實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的特性，給流量計的正常工作帶來惡劣影響，一般應(yīng)增設(shè)過濾器，周期檢查及校準(zhǔn)等才能正常工作。應(yīng)該指出我國天然氣流量計量儀表數(shù)量十分龐大，需要定期檢定的儀表以數(shù)萬臺計，而我國天然氣實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置每年可標(biāo)定的儀表僅在1000臺左右，遠(yuǎn)不能滿足需求(儀表用戶常為送檢儀表奔波而苦惱!)。因此，保證每臺儀表的正常校準(zhǔn)是一個現(xiàn)實(shí)又迫切的問題。
渦輪流量計作為通用型流量計其發(fā)展歷史約半個世紀(jì)，在天然氣計量領(lǐng)域?yàn)榉ǘㄓ嬃科骶撸哂型陚涞臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范。以下介紹上主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：(1)ISO9951《封閉管道氣體流量測量——渦輪流量計》1993年*版。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定儀表結(jié)構(gòu)、壓力測試、流量特性、讀數(shù)裝置、現(xiàn)場校準(zhǔn)、壓力損失、管道布置等，它使各國產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)協(xié)調(diào)一致，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定干擾試驗(yàn)以適應(yīng)現(xiàn)場安裝的要求，儀表可在很短直管段(2D)下安裝，為此各國產(chǎn)品皆設(shè)計整流器與儀表殼體組成一體，是有特色的部件。(2)PrEN12261《氣體渦輪流量計》為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，由CEN／TC237技術(shù)協(xié)會制定，CEN成員國的法定標(biāo)準(zhǔn)。PrEN12261和ISO9951差別為對技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，并且對測試的參數(shù)提出明確的測試工具和方法，對儀表安全特性亦有詳細(xì)規(guī)定，如強(qiáng)度測試、密封性測試、扭矩測試、抗沖擊測試、抗紫外線和腐蝕測試等。PrEN12261是歐洲*的制造工業(yè)及天然氣公司多年對渦輪流量計制造和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。(3)AGAN07報告《渦輪流量計測量燃?xì)狻?980年頒布。AGAN07是一份技術(shù)報告，其內(nèi)容非常豐富，是美國20世紀(jì)60—7O年代氣體渦輪流量計研發(fā)與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
上述三份文件基本代表氣體渦輪流量計現(xiàn)代制造與使用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
由上述孔板流量計和渦輪流量計的簡述中我們可發(fā)現(xiàn)它們有以下一些差別。
(1)孔板流量計具有流量儀表標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的三項特征，因此，其結(jié)構(gòu)及應(yīng)用是*通用的。渦輪流量計不是標(biāo)準(zhǔn)檢測件，產(chǎn)品性能隨企業(yè)而異，由此孔板流量計的二大使用特性渦輪流量計并不具備。渦輪流量計必須逐臺校準(zhǔn)以得到儀表系數(shù)，現(xiàn)場影響量的修正，孔板流量計可采用*流量界積累的豐富資料，而渦輪流量計只能依靠個別企業(yè)指導(dǎo)文件進(jìn)行，兩者的差別不可同日而語。
(2)孔板流量計在測量準(zhǔn)確度、范圍度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝等方面已有突破性進(jìn)展，可以滿足GB／T18603-2001和GB17167-2006等國家法定規(guī)定的要求。因渦輪流量計的儀表特性是在有條件場所才能保證，一般而言，在輸配氣(門)站配備設(shè)備和專業(yè)人員來滿足其要求，而普通用戶不具備這些條件，定期的維護(hù)和檢定亦存在實(shí)際困難。
3、天然氣流量計
3．1天然氣流量計的優(yōu)勢
在節(jié)流式流量計使用中一般總是優(yōu)先選用孔板流量計，其實(shí)，在一個時期內(nèi)，孔板流量計成為了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的代表，其它標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件如ISA1932噴嘴(以下簡稱噴嘴)、文丘里管等未引起足夠的重視(早期噴嘴類的產(chǎn)品受到了加工工藝的限制)，使其*的優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮。因此，我們更應(yīng)重視噴嘴流量計的應(yīng)用。它具有孔板流量計的優(yōu)點(diǎn)，但又因噴嘴為廓形節(jié)流件，無尖銳棱角，結(jié)構(gòu)形狀耐高流速沖擊與磨損，故其流量特性能保持長期穩(wěn)定，無孔板銳緣鈍化之虞，因而檢定周期長(四年)，且壓損小。所以，噴嘴應(yīng)是比孔板更*的節(jié)流件。
3．2一體化天然氣流量計
天然氣流量計應(yīng)用較少的一個重要原因是其廓形加工工藝復(fù)雜，一只噴嘴要準(zhǔn)備數(shù)塊模板，作為保證加工準(zhǔn)確度及檢驗(yàn)用。為使節(jié)流件商品化，多年前，一些專家就提出了定值節(jié)流件的創(chuàng)意，所謂定值節(jié)流件就是在一個管道公稱口徑下僅制造三種節(jié)流孔徑的節(jié)流件(β=0．4、0．5、0．6)，這樣定值噴嘴如同標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件一樣，可以形成批量生產(chǎn)。不僅易于保證加工精度，降低成本，也便于計量監(jiān)督。
還有一個值得重視的問題，就是目前使用的大量的孔板及噴嘴，其直管段長度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且在10D范圍內(nèi)，同心度、不圓度、粗糙度也不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，引起較大的附加誤差，因此帶上經(jīng)過精細(xì)加工的直管段是很有必要的。
所以，以上提出的計量天然氣的一體化天然氣流量計的完整內(nèi)容應(yīng)是帶10D前直管段的一體化天然氣流量計。
3．3誤差分析
用戶很關(guān)心用一體化天然氣流量計計量天然氣，計量的不確定度是多少?確定流量測量不確定度可在天然氣實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)標(biāo)，由于我國這類裝置很少，難以滿足大量檢定的要求，所以不在重點(diǎn)考慮之列。現(xiàn)對以下兩種方案做一介紹。
方案1：按GB/T2624-2006．3計算噴嘴的流出系數(shù)及可膨脹系數(shù)，按GB/T21446-2008(或SY/T6143-2004)計算天然氣的密度，其不確定度為

就是說：用一臺差壓變送器，量程范圍1：25，則流量量程范圍為1：5時，流量系統(tǒng)不確定度等級達(dá)到1．5級。若用二臺差壓變送器，則可使流量量程范圍達(dá)1：25。
方案2：在水標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)定出噴嘴的流出系數(shù)，而可膨脹系數(shù)按GB／T2624-2006計算。現(xiàn)逐項分析誤差的大小
(1)若水標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度等級為0．1級，
(2)其余各項不確定度與方案1相同在差壓測量范圍為1：25條件下，天然氣流量測量相對誤差為

就是說，用水系統(tǒng)標(biāo)定出流出系數(shù)，則流量測量范圍為1：5時，流量測量準(zhǔn)確度等級為1級，若用二臺差壓變送器，流量測量范圍為1：25。