天然氣標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)

1. 1 原理和組成

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)測量天燃?xì)饬髁坑嫷膬?yōu)勢是設(shè)計、加工和計算已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置只要按照 GB /T 21446—2008 《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計加工，不需要整體校準(zhǔn)即能在已知的不確定度范圍內(nèi)進(jìn)行流量測量。

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計及管理軟件對標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確度差壓變送器直接測得，或通過標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板后側(cè)的取壓位置非常重要。因為天然氣流束通過標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)的缺陷，只適宜流量較穩(wěn)定的工況。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板下游側(cè)導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)的差壓值過小一般都是由于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)中一般通過高準(zhǔn)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(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致流出系數(shù) C 發(fā)生變化。溫度 T1變化，還將導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)中一般通過高準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板開孔孔徑的影響

作為節(jié)流件的標(biāo)準(zhǔn)孔板開孔孔徑 d20嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量隨標(biāo)準(zhǔn)孔板開孔孔徑增大而增大，故如果標(biāo)準(zhǔn)孔板開孔孔徑值測量產(chǎn)生誤差，比實際值偏大的話，標(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)測得的流量值也將偏大。

但標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)時需嚴(yán)格遵守，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對差壓儀表量程的要求合理選型。標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，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(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板上下游端面的粗糙度、標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)孔板前后的流動特性，可以得到: 標(biāo)準(zhǔn)孔板厚度超過標(biāo)準(zhǔn)要求造成流量測量值偏大，標(biāo)準(zhǔn)孔板上游側(cè)直管段長度不滿足標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo) 準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn) ISO 6976: 1995，用于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)附錄 B 表 B. 1 中準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)附錄 B 表 B. 1 中準(zhǔn)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?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)的誤差因素分析基于天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量計算實用公式。

( 2) 用標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)的誤差因素對天然氣在標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行推導(dǎo)，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(zhǔn)確把握影響天然氣標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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。