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| 智能孔板流量計在天然氣中的應用 |
| 在20世紀初，孔板流量計應用于天然氣流量測量，經過一個世紀的發展，它已成為*zui主要的天然氣流量計[1]。近年來，盡管出現了許多新型天然氣測量流量計，如：超聲流量計、氣體渦輪流量計等。但由于孔板流量計測量技術歷史悠久、應用范圍廣、結構簡單、使用壽命長及價格低等特點，且標準型孔板流量計可以無須校準而確定信號（差壓）與流量的關系，并估算其測量誤差等特點，在流量計中是惟一的。正是由于上述原因，在今后相當長一個時期內，由于種種因素的制約，特別是標定不能獲得妥善解決之前，孔板流量計仍是天然氣計量的主要儀表。 1孔板流量計的測量原理 孔板流量計是根據安裝在管道中孔板產生的差壓、已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來測量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。如圖1，當流體流經設置在管道中的節流件（孔板）時，流束將在節流件處形成局部收縮。此時流速增大，靜差壓降低，在孔板前后產生差壓，流量愈大，差壓愈大，因而可根據差壓來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續性方程（質量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎，流量為[2] qm=C（1-β4）-1/2 επ/[4d2（2△pρ1）1/2] 式中，qm為質量流量，kg/s；C為流出系數m3/s；ε為可膨脹形系數；β為直徑比，β=d/D；d為工作條件下節流件孔徑，m；D為工作條件下上游管道內徑，m；△p為差壓，Pa，△p=P1- P2；P為上游流體密度，kg/m 。 2 新型孔板流量計的特點 由孔板流量計的測量原理可知，流量與差壓為平方根關系，如果壓差降低到原差壓的1/9，則流量將減小到原流量的1/3，這樣，對于一個差壓上限固定的差壓變送器來說，其測量精度是下降了，這就是傳統孔板流量計的量程比zui大為4：1的原因。在石油天然氣鉆采工程領域，天然氣的流量，物性參數等會隨年份不同，工況條件不同有很大差異，采用傳統孔板流量計測量存在測量范圍窄，測量精度低，需在工況變化時，更換不同的孔板元件等缺點。近年來，隨著微電子技術，計算機技術，新材料，新工藝的迅速發展，差壓變送器和流量計已大大提高其性能及可*性，儀表廠家相繼開發了一些寬幅一體化智能孔板流量計，對原有的孔板流量計做了很大改進。 a）孔板流量計流量測量范圍擴展方式改進在石油天然氣測量中，對流量變化大的場合，傳統做法是同時配備多塊β值不同的孔板或并列幾臺流量計。新型智能孔板流量計，如：日本S0NIC公司開發的孔板流量計，其流量比的范圍可在流量計算機上進行選擇。流量計算機上除設有正常流量比外，還設有2個擴展功能（如圖2），一是為了計量小流量，可將計量范圍擴大到zui大可測流量的1/40，這種功能是在流量計算機上采用擴展差壓分解功能系統，不用更換孔板和差壓變送器就可完成；另一個擴展功能就是大流量側計量范圍的擴張，這是將差壓擴大，從而使大流量側的計量范圍加以擴大的一種系統。另外還有超寬幅范圍方式，量程比zui大可達1：180，采用2臺差壓變送器，各自負擔著小流量范圍和大流量范圍的測量，各自獨立發信號，流量計算機則把這些信號分成不同領域進行變換選擇，并在各領域進行演算，從而使超寬幅范圍在測量上也能保證較高的精度。雖然多投入了1臺差壓變送器，但是與并列2臺流量計的設備費用相比，既提高了經濟效益，又節省了來回切換的麻煩；與采用多塊孔板的方法相比，避免了孔板更換，降低了生產操作難度。 b）孔板流量計孔板元件與二次儀表（差壓變送器及流量計算機）一體化傳統孔板流量計在應用中，孔板與二次儀f表分開，把差壓信號送到中控進行流量計算，在流量變化較大的場合，還需配備多塊孔板，一體化流量計完*了這一不便，使孔板和二次儀表成為一體，省去了引壓管線，減少了故障率，改善了動態特性，方便了安裝使用[2]，且體積小，節約成本，無需現場更換孔板，只需設定量程比即可，操作方便，受到用戶的歡迎。 c）孔板流量計自動溫壓補償功能 孔板流量計的總精度為±0.8～5.0%[4]，對孔板流量計來說，密度是影響流量計特性的zui主要參數，而密度又是溫度、壓力的函數，現場壓力溫度波動是不可避免的，由此引起的物性參數的變動是使用時產生附加誤差的主要原因之一，在高精度測量時應特別注意。由于天然氣是可壓縮流體，受溫度、壓力的影響較大，為了保證度，常常采用溫壓補償。新型孔板流量計可將壓力和溫度信號直接送入現場流量計算機，對流量進行壓力和溫度變化時的自動補償運算，并將的流量值送到中控。但須注意的是，*的儀表是沒有的，若補償方法不當，有累積這些儀表誤差的可能，增加了故障因素，所以，進行補償時須慎重考慮。另外，在某些場合，當流體組分發生變化時，就不能采用壓力、溫度補償，而應采用密度補償[2]。 3 孔板流量計發展前景 隨著科學技術的不斷發展，與傳統孔板流量計相比，當今孔板流量計發展趨勢是一體化、高精度、寬量比的新型流量計，并擁有補償功能完善的流量計算機，具有強大的功能軟件，同時設有RS485標準計算機通信接口，可與DCS連接通信，對維護檢修提供了方便，在工業生產過程中方便實用。同時，由于新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度，并經計算單元作氣體壓力、溫度修正或測氣體質量流量，減少了獨立的傳感器數量，簡化管線工程，降低安裝費用；減少管線開孔，降低潛在泄露點[4]，提高整體可*性，這些都為孔板流量計更好地應用提供了可*的技術保證。 |
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