天然气流量计量的高级孔板阀计量特性与误差分析

　　天然气是一种高效、清洁燃料和优质化工原料。天然气流量计量是天然气生产和使用中必须解决的一个重要问题。在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常进行的重要的技术基础工作。天然气的准确计量不但能公平地进行贸易结算,而且能指导改进生产工艺,提高产品质量,降低产品生产成本,提高经济效益和社会效益。作为西气东输主力气源地的克拉二气田在天然气生产计量中选用的流量计量仪表是孔板流量计。单井上使用4套,中央处理厂使用11套,用以井口计量、进站计量和外输计量。克拉二气田的孔板流量计是由中国人民解放军第5719工厂生产的高级型可换孔板阀和英国Rosemount公司生产的智能差压变送器、压力变送器、温度变送器以及流量显示装置组成。

　　1　孔板流量计的计量原理及特征

　　1·1　孔板流量计的计量原理

　　孔板流量计是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流元件时在其前后产生压差,此差压值与该流量的平方成正比关系来计算流量的。

　　(1)差压法测气原理

　　充满管道的流体,当它流经管道内节流装置(如孔板)时,流束将在节流装置处形成局部收缩,使部分压能转为动能,其结果使流速增加,静压降低,在节流装置前后产生了压力降,如图1所示。对于一定型式、一定尺寸的节流装置来说,所产生的压差与气体流量有关,流量愈大,压差也愈大;流量减小,压差也减小;流量为零,压差也为零。因此,通过测量压差的大小,就可间接地计算气体流量,这种方法就称差压法测量气体流量。

　　(2)流束局部收缩和压差的产生

　　被测流体流经节流装置前后的特性和压力分布如图1所示。

　　在孔板前,连续流动着的流体将遇到孔板的阻挡。在管壁处的流体由于受孔板阻挡,阻力最大,使流体速度降低,部分动能转变成静压能,其结果使孔板入口端面接近管壁处的流体静压力升高。而管道中心流速最大,静压最低,使其在同一端面形成径向压力差,其结果将使流体质点在这一径向压差作用下产生一径向加速度。在这一径向速度作用下,靠近管壁处的流体质点以偏转一个角度向孔口流动,形成了流束的局部收缩。

　　由于流体运动的惯性,流经节流装置后流体将继续保持原来的流动方向,在孔板出口端面Ⅱ处形成一最小收缩截面,此处流束截面最小,流速达最大,压力最低。此后,流束又逐渐扩大,压力逐渐恢复升高,直到流体充满整个管道,压力恢复到最大值。但孔板后的压力并没有恢复到原来的数值,两者压力之差,即为流体流经节流装置后所产生的压力损失。此压力损失主要是由流体流经节流装置后流束突然扩大所产生涡流呆滞现象所造成的。在孔板出口端面处,流速已比原来增大,静压力也就较原来低。即p1>p2(p1、p2分别为孔板前后的压力)。因此,只要测量出p1、p2之差,就可计算出通过孔板气体流量的大小。孔板流量计理论流量计算公式为: