自然氣流量計量及儀表選型

引言

隨著(zhù)自然氣的廣泛使用，各種不同使用狀況和需求對流量計量的要求有很大的差別，同時(shí)，由于氣體的可壓縮性，流量的丈量，氣體要比液體困難得多。若要求氣體計量達到相當高的精度，則計量?jì)x表的經(jīng)濟投進(jìn)必然巨大。因此，公道選擇丈量方法及功能、特性、經(jīng)濟適用的流量?jì)x表是非常必要的。以下就自然氣的計量標準、丈量方法及儀表選型進(jìn)行實(shí)用性介紹。 可燃氣體檢測儀| 泄露氣體檢測儀| 毒性氣體| 氧氣檢測| VOC檢測儀| 煙氣分析儀| 臭氧檢測儀| 空氣品質(zhì)監測儀|

1自然氣計量標準及溫度、壓力修正方式

(1)自然氣計量標準

自然氣計量以體積表示，單位：m³。由于氣體具有可以布滿(mǎn)任意空間和可壓縮性的特性，由氣體狀態(tài)方程式可知，作為計量用的標準體積，必須對壓力、溫度作出明確的同一規定，離開(kāi)了狀態(tài)談?wù)摎怏w體積是沒(méi)有意義的。

國家石油行業(yè)標準已明確規定以溫度293.15K(20℃)，壓力101.325kPa時(shí)的狀態(tài)為自然氣計量標準狀態(tài)；凡是實(shí)際狀態(tài)與此標準狀態(tài)不相符時(shí)，均應按氣體狀態(tài)方程式進(jìn)行修正。

式中：Qn---標準狀態(tài)下的氣體體積量，m³；
Q---工作狀態(tài)下的氣體體積量，m³；
t---工作狀態(tài)下的氣體溫度，℃；
P---工作狀態(tài)下的表壓力，kPa；
Pa---丈量時(shí)當地的大氣壓，kPa；
z---氣體的壓縮系數。

壓縮系數z是隨溫度和壓力而變化的，它與氣體的工作壓力P和氣體的臨界壓力PC的比例(P/PC)、氣體的工作溫度T(K)和氣體的臨界溫度TC(K)的比例(T/TC)有明確的函數關(guān)系。自然氣的壓縮系數z=1/F²_z，超壓縮因子Fz可在國家石油行業(yè)標準SY/T6143-1996中的附錄Ａ中查出；在壓力小于0.1ＭPa時(shí)，z=1。

自然氣管網(wǎng)輸配的實(shí)際情況是變化復雜的，常與標準狀態(tài)不相符。故需采用一定的修正方式進(jìn)行補償修正。

(2)不同地區的固定人工修正系數

當無(wú)溫度、壓力自動(dòng)補償裝置和壓力記錄儀時(shí)，并在使用壓力波動(dòng)不大時(shí)，可根據各地區大氣壓不同(北京為101.32kPa，重慶為98.32kPa，上海為101.61kPa，拉薩為65.18kPa)和溫度不同制定出當地適用的固定人工修正系數K固參考表。

按(1)式可得：

式中：KT---均勻溫度修正系數；
KP---均勻壓力修正系數。

在確定的地區和一個(gè)時(shí)期內(冬季或夏季或全年)，均勻溫度t和均勻大氣壓Pa可為常數；而z隨P變化，故K僅隨P變化。由此可列出K-P關(guān)系確當地系列壓力修正系數參考表，根據實(shí)際壓力P(由表前壓力計近似讀取)直接查出K固，即可按下式求出標準狀態(tài)下的體積流量：

Qn=K固×Q

式中：Q---流量?jì)x表的指示讀數，m³

(3)采用壓力記錄儀人工定時(shí)修正系數

在流量?jì)x表前安裝壓力記錄儀，連續記錄氣體在24小時(shí)內的壓力。將壓力記錄儀的出發(fā)點(diǎn)調到當地大氣壓，采用100%圓圖刻度記錄紙，用算術(shù)均勻法或相當半徑法(比例求積儀)，求出靜壓均勻格數ＸP，則：

式中：Pmax---壓力記錄儀上限值，kPa。

采用溫度計，每隔2小時(shí)記錄一次溫度，算出當日均勻溫度，由此可求得KT，按(2)、(3)式即可得Qn。

(4)電子修正積算器

用微電子處理技術(shù)對采集的信號進(jìn)行處理和計算，以實(shí)現對被測體積的精確修正。采集來(lái)自氣體流量?jì)x表的脈沖訊號，根據設定的脈沖當量值計算出未經(jīng)修正的實(shí)際流量體積Q，并與測得的工況壓力P(設定均勻壓力固定值或壓力傳輸器引進(jìn)的被測當前壓力)、工況溫度T(設定均勻溫度固定值或溫度傳感器引進(jìn)的被測當前溫度)、壓縮ｚ(設定為固定值或輸進(jìn)公式自動(dòng)計算)、當地大氣壓Pa，按(1)式進(jìn)行軟件設計，使其自動(dòng)計算出標準體積。它可與氣體渦輪流量計、腰輪流量計、漩渦流量計、膜式煤氣表等配合使用。

2自然氣標準孔板流量計及配套裝置

標準孔板丈量流量是當氣體流經(jīng)孔板時(shí)，其前后產(chǎn)生的壓力不同，通過(guò)此壓力差來(lái)計算流量。標準孔板是符合GB/T2624-1993的標準節流裝置(標準孔板、噴嘴、文丘利管)的一種，有可靠的實(shí)驗數據。根據GB/T2624-1993設計、加工、安裝的標準孔板不必單獨校準或標定。

(1)節流裝置的流量計算公式：

式中：Q---工作狀態(tài)下的體積流量，m³/ｓ；
ε---可膨脹性系數；
△P---節流件前后的壓差，Pa；
ρ---節流件上游側一定溫度、壓力下的密度，kｇ/m³；
ｄ---節流件開(kāi)孔直徑，m；
β=ｄ/Ｄ---節流件的直徑比，Ｄ為管道內徑，m；
C---流出系數。與工作狀態(tài)下流束的摩擦阻力、渦流損失、收縮情況和取壓孔位置有關(guān)的修正系數，可采用實(shí)驗方法求得或用Stｏｌｚ方程計算給出。

(2)自然氣標準孔板流量丈量的實(shí)用公式

自然氣采用標準孔板進(jìn)行流量計量時(shí)，可按SY/T6143-1996進(jìn)行流量計算，其標準體積流量計算的實(shí)用公式：

式中：Qn---標準狀態(tài)下自然氣體積流量，m³/ｓ；
ＡS---秒計量系數，視采用計量單位而定，此式ＡS=3.1794×10-6，若以小時(shí)Ｈ為單位，需乘上3600。
C---流出系數；
Ｅ---漸近速度系數，

ｄ---孔板開(kāi)孔直徑，mm，ｄ=ｄ20[1+λｄ(t-t20)]，ｄ20和t20分別為20℃±2℃時(shí)孔板開(kāi)孔檢測直徑(mm)和室內溫度(℃)，λｄ為孔板材料的線(xiàn)膨脹系數(mm/mm.ｃ)，t為自然氣流過(guò)孔板時(shí)的溫度(℃)。
FG---相對密度系數，，Gｒ為真實(shí)相對密度；
P1---孔板上游側取壓孔氣流盡對靜壓，ＭPa；
△P---氣流流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，Pa；
ε---可膨脹系數，ε=1-(0.41+0.35β⁴)，k為等熵指數；
Fz---超壓縮因子，zn和z1分別為標態(tài)下和流態(tài)下的壓縮系數；
FT---活動(dòng)溫度系數，

式中C、ε、λｄ、Gｒ、FG、FT、Fz、z1等參數均是對實(shí)際工況轉換為標準狀態(tài)的修正系數，其具體數據可查該標準的相關(guān)附錄表。

(3)自然氣用標準孔板計量的流量積算

a)用雙波紋管差壓流量計積算

雙波紋管差壓流量計由丈量孔板(差壓、靜壓)和顯示部分及附件求積儀組合而成，廣州市駿凱電子科技有限公司用100%圓圖刻度記錄紙(即開(kāi)方卡片)來(lái)記錄孔板的差壓△P和靜壓P1，由求積儀算出當日流量，按(6)式，可得實(shí)在用公式：

取

X10⁴

式中：Pmax(ＭPa)、△Pmax(Pa)分別為儀表靜壓、差壓的上限值，ＸP、Ｘ△P分別為開(kāi)方卡片記錄的實(shí)際靜壓、差壓的均勻格數。

對于一臺確定的計量裝置，當自然氣成分一定時(shí)，ｄ、Pmax、△Pmax、Gｒ可視為常數；當β值(即ｄ、Ｄ值一定時(shí))一定的節流件在雷諾數較高的區域內使用時(shí)，C可視為常數；對于特定環(huán)境下，Fz(=1/z)值基本可視為常數(供氣壓力低于0.5ＭPa時(shí)，可取z約為1)；當用壓力比較穩定，氣量變化不很大時(shí)，則ε也可視為常數，由此K雙在特定的情況下為常數。則：

根據此公式，可人工積算出一天的用氣量。

雙波紋差壓計由于性能穩定性好，經(jīng)濟投進(jìn)不大，常用于中、高壓，大中流量的產(chǎn)業(yè)管線(xiàn)和總計量以及臨時(shí)計量中，但因人工積算不便且積算精確受人為因素影響，現逐漸被較先進(jìn)的儀表取代。

ｂ)微機流量計量裝置

微機流量計量裝置由孔板(或其它一次流量?jì)x表和渦輪、漩渦等)、差壓和壓力變送器(或渦輪、漩渦變送器等)、溫度變送器和工控式微處理器及其相應配套設施，將孔板的差壓、壓力、溫度信號由變送器轉換成模擬量4～20mＡ，經(jīng)過(guò)Ａ/Ｄ轉換器傳送到已事先輸進(jìn)并嚴格按(6)式(或其它流量?jì)x表變送器相應的計算公式)程序設計軟件的微處理器內，廣州市駿凱電子科技有限公司從而通過(guò)顯示器獲得氣體的流量；它可實(shí)現管道運行數據實(shí)時(shí)采樣(每二秒一次或幾秒一次)，比人工每小時(shí)采樣精確很多，并可安裝多套計量管線(xiàn)和多種流量?jì)x表的信號，同時(shí)記錄、運算和顯示。其原理圖如圖1所示。

可接收來(lái)自孔板經(jīng)壓力、差壓、溫度變送器產(chǎn)生的4～20mＡ(或1～5Ｖ)模擬量信號(以及來(lái)自渦輪、漩渦等流量計的脈沖信號，頻率量范圍為0～5000Ｈｚ幅值12Ｖ)�？稍O計出顯示瞬時(shí)流量、時(shí)和日月累計流量、差壓和壓力、溫度及其上下限、密度、報警、記錄參數更改的內容、時(shí)間以及壓力、差壓、流量曲線(xiàn)等多項功能。

3膜式煤氣表和腰輪流量計

此兩種儀表屬于容積式流量?jì)x表。其特點(diǎn)具有丈量正確度高，量程比寬，被測氣體的密度和粘度的變化對儀表示值和正確度影響小，對儀表前后直管段要求不高，但儀表傳動(dòng)機構復雜，制造要求高，關(guān)鍵件易磨損。腰輪流量計需定期清洗和添加、更換潤滑油。

膜式煤氣表工作原理：在儀表進(jìn)出口的壓差作用下，氣體通過(guò)滑閥和分配室，使兩個(gè)計量室的隔膜形成交替進(jìn)排氣的往復運動(dòng)；廣州市駿凱電子科技有限公司各自往復進(jìn)排氣一次巡回體積為一額定值即一回轉體積量(Ｖ1)；與此同時(shí)連接于隔膜主軸上的傳動(dòng)轉換機構，將隔膜一回轉的次數連續輸進(jìn)到計數機構，進(jìn)行流量累計，從而顯示出氣體流出的總量。如圖2所示。

腰輪流量計又稱(chēng)羅茨或轉動(dòng)流量計，當氣體由進(jìn)口流進(jìn)，在進(jìn)出口壓差作用下，處于圖3a位置時(shí)，腰輪Ａ上的合成力矩不平衡，故腰輪Ａ不能轉動(dòng)。而腰輪B上的合成力矩不平衡，故腰輪B按順時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，同時(shí)把計量室內的氣體排向出口，與此同時(shí)腰輪B轉軸上的驅動(dòng)齒輪帶動(dòng)了腰輪Ａ轉軸上的驅動(dòng)齒輪，使腰輪Ａ按逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，逐漸由圖3ｂ位置到達圖3ｃ位置，同樣通過(guò)兩腰輪上所受力矩和轉動(dòng)過(guò)程則形成圖3ｄ位置，兩腰輪如此主從交替轉動(dòng)，腰輪旋轉一周就有四個(gè)如圖中陰影部分容積的氣體排出，通過(guò)腰輪的轉數和齒輪減速系統，輸進(jìn)到指示機械從而顯示出氣體的總流量。如圖3所示。

膜式煤氣表大量用于居民用氣，腰輪流量計常用于中壓用戶(hù)。兩種儀表一般未帶溫度壓力補償裝置，故需采取如前“計量標準”中所述三種修正方式之一進(jìn)行補償修正。當采用電子修正積算器時(shí)，需加裝溫度、壓力、示值傳感器，一是可在儀表出廠(chǎng)前預留信號管(壓力、溫度)和示值傳感器；另外可在儀表現場(chǎng)自然氣輸配管線(xiàn)上引出壓力、溫度信號管并配相應傳感器和示值傳感器。

兩種儀表可通過(guò)加裝示值傳感器實(shí)現數據遠傳，從而實(shí)現微機數據集中治理。

4氣體渦輪流量計、卡門(mén)渦街流量計和旋進(jìn)漩渦流量計

三種儀表均屬速度式流量計。氣體渦輪流量計特點(diǎn)是結構緊湊、正確度高、重復性好、量程比較寬、反應迅速、壓損小，但安裝使用(表前需安過(guò)濾器和整流器)和軸承耐磨性的要求較高；漩渦流量計是儀表內部無(wú)活動(dòng)機件、壽命長(cháng)、正確度高、量程比寬，但流速分布情況和脈動(dòng)流、振動(dòng)對丈量有不同程度影響。

氣體渦輪流量計工作原理：當被氣體流經(jīng)渦輪體時(shí)，氣體推動(dòng)帶有螺旋形導磁葉片的葉輪旋轉，當由鐵磁材料制成的葉片旋經(jīng)固定在殼體上的磁感應或信號檢出器中的磁鋼時(shí)，引起磁路中磁阻的周期性變化，并在感應線(xiàn)圈內產(chǎn)生近似正弦波的電脈沖信號，廣州市駿凱電子科技有限公司在渦輪儀表規定的流量范圍內，脈沖信號的頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量成正比，將此脈沖信號經(jīng)過(guò)積算顯示部分運算、處理可顯示出流量，如圖4所示。

卡門(mén)渦街流量計工作原理：在流體管道內插進(jìn)一根非線(xiàn)型的柱狀物(圓柱或三角柱)，當氣體流經(jīng)并達到一定雷諾數范圍內，柱狀物的下游即產(chǎn)生兩列不對稱(chēng)而有規律的交替漩渦，漩渦的頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量成正比，通過(guò)檢出器、放大和轉換器，可獲得流體的流量。如圖5所示。

旋進(jìn)漩渦流量計工作原理：當氣體沿著(zhù)軸向進(jìn)進(jìn)流量計進(jìn)口，螺旋錐體強迫流體旋轉，形成漩渦流經(jīng)文丘利管旋進(jìn)、節流、加速，在中心軸線(xiàn)處形成高速旋轉的渦核，到了擴散器，因壓力的變化產(chǎn)生回流，使渦核轉折偏離軸線(xiàn)，形成錐旋線(xiàn)進(jìn)動(dòng)。若儀表有關(guān)的幾何外形和尺寸設計公道，檢測點(diǎn)的螺旋漩渦進(jìn)動(dòng)頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量在很寬的流量范圍內成正比，經(jīng)過(guò)放大整形成電脈沖信號，傳輸至顯示部分，即可運算出流體的流量。如圖6所示。

三種代表的工況流量公式：

式中，K儀---儀表系數，它與儀表設計的具體外形、尺寸、檢出點(diǎn)、生產(chǎn)工藝等多種因素有關(guān)，并需經(jīng)檢測標定。

結合(1)式和(10)式，三種儀表同樣可采用如前所述的三種修正方式之一進(jìn)行修正，從而獲得標態(tài)下的流量。

除采用上述修正方式外，也可將(1)式、(10)式綜合融進(jìn)智能一體化設計，使儀表直接顯示出標態(tài)下的流量，例如：智能旋進(jìn)旋渦流量計，其結構圖見(jiàn)圖6，其流量積算原理圖見(jiàn)圖7；氣體渦輪流量計和卡門(mén)渦街流量計均可按此結構形式和原理進(jìn)行一體化設計。

5儀表選型參考表(如表1)