國際流量測量技術(shù)學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢

國際流量測量界所召開(kāi)的最重大的學(xué)術(shù)會(huì )議主要有以下兩個(gè)：
    （1）2001年5月7~10日在蘇格蘭，皮布爾斯（Peebles)召開(kāi)的“2001國際流量測量學(xué)術(shù)會(huì )議”（FLOW MEASUREMENT 2001 INTERNATIONAL CONFERENCE）。該會(huì )議由NEL主辦，會(huì )議的主題是：“在工業(yè)各領(lǐng)域中創(chuàng )造效率”。
    （2）2002年4月7~10日在美國首都華盛頓附近的阿林頓（Arlington）召開(kāi)的“第5屆國際流體流量測量學(xué)術(shù)會(huì )議（The 5th International Symposium on Fluid Flow Measurement)，在此次學(xué)術(shù)會(huì )議的前后還在同一地點(diǎn)召開(kāi)了ISO／TC30SC2；ISO／TC30／SC5；ISO／TC30／SC9的工作會(huì )議以及CIPM／CCM／WGFF流量工作組的第3次會(huì )議。
    從以上所述這兩次國際學(xué)術(shù)會(huì )議上所發(fā)表的近百篇學(xué)術(shù)論文以及ISO／TC30三個(gè)分委員會(huì )的會(huì )議和WGFF的會(huì )議，集中反映了當今國際流量測量技術(shù)的最新水平，并展示了流量測量技術(shù)的發(fā)展趨勢及主要方向。本文擬介紹國外流量測量技術(shù)的若干動(dòng)向，以供國內有關(guān)部門(mén)考慮問(wèn)題時(shí)作為參考。

    一、差壓式流量計國際標準的新變化

    1.1關(guān)于國際標準ISO5167的修訂工作
    采用孔板、噴嘴和文丘里管等節流裝置的差壓式流量計是一種應用面最廣，應用量最多的流量?jì)x表，這類(lèi)儀表占整個(gè)流量計的60~70％。因此ISO5167的修訂工作一直是ISO／TC30／SC2的重點(diǎn)項目。由于我國的GB／T2624－93就是等效采用ISO5167－1（1991）的，因此ISO5167的修訂也更為我國流量界所矚目。ISO5167的修訂已有約10年的歷史，現已進(jìn)入DIS的最后階段。ISO5167新標準的最終草案共包括以下4部分，即：

    ISO／DIS5167－1（第1部分：總則）；

    ISO／DIS5167－2（第2部分：孔板）；
    ISO／DIS5167－3（第3部分：噴嘴與文丘里噴嘴）；
    ISO／DIS5167－4（第4部分：文丘里管）。

    ISO／TC30／SC2計劃將于今年7月將最終草案分發(fā)到各成員國征求意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)3個(gè)月，預計將于今年9月投票表決。被批準認可的DIS將被注冊登記為FDIS。初步計劃在今年10出版FDIS。
    1.2 ISO5167新標準所修改的主要內容：
    （1）根據大量數據回歸的R／G公式取代了原來(lái)的Stolg公式；
    （2）在沒(méi)有流動(dòng)調整器的條件下，對孔板（或文丘里管）與一些上游阻流件之間所需要的最小直管段提出了全新的及更長(cháng)的要求，詳見(jiàn)表1（文獻1）；表2和表3；
    （3）如在孔板上游安裝流動(dòng)調整器則可以適當縮短孔板上游的直管段；（詳見(jiàn)標準中相應表格）；
    （4）采用新公式來(lái)計算孔板的可膨脹性系統；
    （5）修訂了關(guān)于孔板的不同軸度、不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求…等。
    1．3 為修訂ISO5167所進(jìn)行的補充實(shí)驗
    同軸或不同軸的漸擴管和漸縮管是相當常用的阻流件。在A(yíng)PI／ANSI2530（1991－1999）的標準中將漸擴管與漸縮管歸為同一類(lèi)阻流件，這與ISO5167－1991有明顯的不同。例如在β=0.75時(shí)，API標準要求為13D，而ISO標準則要求在漸縮管后有22D，在漸擴管后要求有38D，即漸擴管后要有比漸縮管后更長(cháng)的直管段。據文獻（2）報導：實(shí)驗數據說(shuō)明API／ANSI老標準中關(guān)于漸擴管后直管段的規定不對，應予以改正。但是，還需要從另一個(gè)獨立的實(shí)驗室中獲得另一組數據來(lái)證明同一問(wèn)題后，才能對API／ANSI老標準的這條規定進(jìn)行修訂。實(shí)驗還發(fā)現：不同軸的漸縮管或漸擴管以及閘閥對測量的影響與取壓口的方位有關(guān)，隨著(zhù)L／D的增加，因取壓口方位不同所受的影響會(huì )減少�？偟恼f(shuō)來(lái)，不對稱(chēng)組件（即不同軸的各種阻流件）比同軸阻流件要求有更長(cháng)的直管段。實(shí)驗證明：API／ANSI老標準中對同軸縮管及閘閥后直管段的規定是適當的；在低壓空氣裝置上作上述實(shí)驗，同樣可獲得高質(zhì)量的實(shí)驗數據，而且還易于操作并且花費更少。在垂直平面上的兩個(gè)90°彎頭的實(shí)驗是在高壓氣體流量裝置上進(jìn)行的。實(shí)驗證明：如果S為O，兩彎頭間無(wú)法蘭，則在高ReD下，旋轉流的耗散要緩慢得多，甚至在此雙彎頭后81D處，仍能影響孔板流量計的不確定度，可測得較大的正的系統誤差。
    新修訂的ISO－5167和API／ANSI－2530標準中，在沒(méi)有流動(dòng)調整器的條件下，在孔板上游都推薦使用更長(cháng)的直管段（詳見(jiàn)表1）。然而，有些新的推薦值只是根據了有限的幾組數據。因此有必要對數據較少的那些安裝條件或上游阻流件的幾何參數局限于一定范圍的安裝條件補作實(shí)驗并重復檢查孔板流量計的性能。據文獻（3）的報告，實(shí)驗是在一個(gè)低壓空氣裝置上作的，選用的上游阻流件有T形管、成45°角斜接的90°彎頭和在同一平面上的兩個(gè)45°彎頭，而且兩個(gè)彎頭之間的間距S很短（S＝2D~10D）。用作彎頭的T形管有幾種形式：如帶銳邊的；邊緣倒圓的或邊緣倒圓帶有延長(cháng)管的T形管等。利用上述各種形式的T形管作為上游的彎頭進(jìn)行實(shí)驗表明：新修訂的ISO孔板標準在適應上游阻流件幾何參數的變化方面是足夠保守的。只在有實(shí)驗帶10D（的）延長(cháng)管的T形管時(shí)，新標準推薦的直管段略顯稍短。對于45°角斜接的90°彎頭可以按照用作彎頭的T形管或單個(gè)90°彎頭等阻流件的要求，選定所需的直管段。對于在同一平面上的兩個(gè)45°彎頭（S＝2D~10D），其后所要求的直管段類(lèi)似于在同一平面內的兩個(gè)90°彎頭且S≥22時(shí)所要求的直管段。通過(guò)以上實(shí)驗證明了如下兩條結論：
    1．新的ISO及API／ANSI／AGA孔板標準中所推薦的上游最小直管段絕對不是過(guò)于保守的；
    2．在新標準關(guān)于最小直管段的表格中，上游阻流件的幾何參數在一定的容許范圍內是可以擴展或變化的。
孔板流量計上游的管徑突變對孔板流量計流出系數的影響是文獻4的主題�，F有的一個(gè)孔板流量計是否可以與不同管徑的工藝管路相連接？對于一個(gè)經(jīng)黨校準孔板流量計的實(shí)驗室也經(jīng)常會(huì )面對同樣的問(wèn)題�，F在ISO－5167－1：1991標準對孔板上游管徑的要求是相當嚴格的，在國標GB／T2624－93中6.5.1.2條明確規定：“離節流件2D以外，敷設在節流件與第一上游阻流件之間的上游管段，可由一種或多種截面的管道組成，只要任一臺階不超過(guò)6.5.1條規定的±0．3％的圓度要求，則流出系數無(wú)附加不確定度�！�
    第一阻流件有可能在孔板上游100D處（D為管道內徑），如果是小管徑，則可能必須將上游的整個(gè)管道進(jìn)行加工以滿(mǎn)足上述0.3％的要求。但如果臺階出現在2D處和50D處，在兩處按相同的要求來(lái)處理管徑突變問(wèn)題可能是不必要的。作者用管壁系列號為80，120和10的管道安裝在管壁系列號為40的孔板流量計的上游的不同距離（5D，9D，14D，21D，31D和46D）處。實(shí)驗證明ISO－5167－1：1991中對上游管道連接處臺階的要求過(guò)于保守。實(shí)驗所得數據將和于新修訂的ISO－5167－2標準，用來(lái)推薦最大允許的臺階值。實(shí)驗還證明：大于0．3％的臺階的位置臺在46D以外時(shí)，影響已小于0.1％。
    綜上所述，以上文獻（1至4）中所報導的近幾年來(lái)的補充實(shí)驗工作及其結論對于ISO－5167，API／ANSI－2530和AGA－3等標準的修訂是十分有益的。所獲得的實(shí)驗數據是修訂標準的依據。與修訂前的ISO－5167相比較，新修訂的標準在上有許多實(shí)質(zhì)性的變化，其中最主要的一條變化就是對孔板等節流裝置的上游最小直管段提出了全新的和加長(cháng)的要求。對這種新變化和新要求應予以高度重視。

    二、如何應對ISO－5167修訂后的新變化與新要求
    由于流量計的使用目的和應用場(chǎng)所的不同，對其準確度的要求也各不相同。按使用目的分類(lèi)，大概可以將流量計分為以下三大類(lèi)（文獻5）：
    1．用于貿易輸送計量的或用來(lái)校準其他流量計的；對此類(lèi)流量計的計量學(xué)特性有嚴格要求；
    2．用于一般性的監測或檢測；
    3．用于一般性的過(guò)程控制。
    對于2、3類(lèi)流量計的準確度要求可適當放寬，應對辦法也不同。針對修訂的ISO－5167－2的新要求，在一個(gè)氣體貿易輸送計量站上是如何應對的？長(cháng)達25頁(yè)的文獻6作了詳盡的分析報告，他們的經(jīng)驗值得我們參考與借鑒�，F將該文摘要匯報如下：
    烴源有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)HRL）下屬的南莫克姆（South Morecambe）天然氣計量站是英國最大的天然氣貿易計量站之一，每日的氣量高達5千萬(wàn)標立方米，該站于1985年投運。1998年HRL決定對該站使用孔板的天然氣貿易計量系統進(jìn)行現代化改造，并開(kāi)始可行性分析研究。通過(guò)審查發(fā)現使用孔板有如下幾個(gè)主要問(wèn)題：
    1．現場(chǎng)孔板上游的直管段長(cháng)度太短，不符合新修訂的ISO－5167和AGA3中關(guān)于孔板上游最小直管段長(cháng)度的要求。原有的計量系統由6個(gè)24″（600mm）的孔板流量計組成（為4用，2備）；6路孔板的上游各有一個(gè)90°彎頭，六個(gè)孔板與上游90°彎頭之間的直管段長(cháng)度在18D至41D之間不等。6個(gè)90°彎頭的上游有6條平行管線(xiàn)接入一個(gè)共用的匯管。按現行的ISO－5167（1991）查表：在單個(gè)90°彎頭的下游，β＝0．6和零附加不確定度條件下，要求孔板上游的最小直管段l1＝18D，如按新修訂的ISO－5167和AGA3要求，l1分別應為42D和44D。按ISO新標準要求在匯管之后應使用流動(dòng)調整器；按照AGA3新標準，匯管應屬于“任何其他阻流件配置”范疇，要求有145D的上游直管段。而現場(chǎng)實(shí)際最短的只有48D。
    2．孔板流量計維護的工作量太大，維護費用昂貴，維修負責太重，運行費用高。
現場(chǎng)孔板流量計的每一條管線(xiàn)上都裝有三個(gè)不同壓差測量范圍的差壓變送器，一個(gè)靜壓變送器，一個(gè)密度計，一個(gè)流量計算機和一個(gè)測溫元件。此外在總管線(xiàn)上還裝有一臺共用的氣相色譜儀和一臺相對密度分析儀。原有孔板計量系統的維護費用相當昂貴，例如，僅為校準狀壓變送器每年需花費掉600個(gè)人時(shí)。要求孔板每年檢查兩次，每年重校一次。要求每2個(gè)月檢查一次密度計，每年重校它一次。
    3．孔板流量計的壓損太大，直到新的壓縮裝置建成之前，此壓損問(wèn)題在該站一直十分尖銳。
    應該補充說(shuō)明的是：在研究新標準所規定的直管段長(cháng)度時(shí)，負責設計的B&R公司對新規定曾有一定疑慮，為此他們決定請英國國家工程實(shí)驗室（NEL）的專(zhuān)家，專(zhuān)門(mén)針對該站的管路配置和孔板 一計量系統進(jìn)行專(zhuān)題的計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）研究。研究?jì)热莅�括：①過(guò)濾器出口的模型；②匯管入口處上游S型雙彎頭處的模型；③匯管入口處的模型；④包括90°彎頭在內的6條測量管線(xiàn)中的模型；⑤測定孔板入口處的速度分布和旋轉流的角度；⑥法蘭取壓孔板的模型并估算流量計的誤差。由NEL所進(jìn)行的CFD專(zhuān)題研究工作證實(shí)：新修訂的ISO－5167標準中所規定的孔板上游直管段長(cháng)度是確定需要的。
    為實(shí)現該站計量系統現代化的目標，從技術(shù)上分析曾有兩種可行的方案：
    （1）可維持下去的方案，即孔板加整流器的方案。
    （2）采用其他代替技術(shù)的方案，同時(shí)應滿(mǎn)足計量不確定度≤±1％；還能滿(mǎn)足在現有直管段條件下現有效計量，可減小維護工作量，處長(cháng)使用壽命等要求。（即3臺多聲道超聲串聯(lián)3臺渦輪表的方案）。
    關(guān)于流動(dòng)調整器，ISO－5167和AGA3都建議對流動(dòng)調整器進(jìn)行“型式測試”，在標準推薦的四種流動(dòng)調整器中專(zhuān)利的Gallager和NOVA的50E型隔離式流動(dòng)調整器都已通過(guò)“型式測試”。因此，采用流動(dòng)調整器被認為是一咱可以維持現狀的方案。然而，采用它將進(jìn)一步增大壓損，原來(lái)負擔沉重的維護仍居高不下。此外，為在6條24″（DN600）的大口徑管道上安裝大型流動(dòng)調整器所進(jìn)行的工作，包括切開(kāi)管線(xiàn)，焊接法蘭，裝入整流器，清洗，吹掃，打壓，耐壓測試與試漏等一系列工作的工作量也是相當巨大的。在進(jìn)行了基建原始投資與運行的全程計算分析后，結果對（2）方案有利。
    現就方案（2）作進(jìn)一步的論證：
    超聲流量計或渦輪流量計都是可供選擇的流量計，而且兩者都只需選用3臺（2用，1務(wù)）就可以取代原來(lái)的6臺孔板流量計。由這兩種表都通過(guò)測速而測得氣體的體積，在它們的流量公式中沒(méi)有“密度”這個(gè)參數，并不像孔板流量計的工作公式中有“密度”這個(gè)參數，需要用密度計（或其他間接方法）測得工況下氣體的密度，才能算出氣體的體積流量，又由于孔板流量計流出系數的不確定在ISO標準中承認已是±0．5％，影響因素多，因此采用超聲或渦輪能獲得較高的測量準確度。采用用于貿易輸送的多聲道氣體超聲流量計作出表的有如下7條：
    （1）它已取得許多權威的計量部門(mén)認證。上游僅要求10D，下游僅要求5D的直管段；
    （2）超聲流量計結實(shí)耐用，無(wú)轉動(dòng)部件，無(wú)過(guò)負載而被損壞的危險；
    （3）量程比寬，測量準確度優(yōu)于±0．5％，無(wú)壓損；
    （4）在使用前可對該表進(jìn)行實(shí)流校準，檢定周期一般為4至5年；
    （5）超聲流量計的最大潛在優(yōu)勢是使維護的工作量大大減少；
    （6）在整個(gè)使用壽命中可以多次重校和重新認證；
    （7）有較強大的自檢與自診斷功能；如實(shí)測的聲速（VOS）可隨時(shí)與計算得出的VOS進(jìn)行比較等。
在確定選用三臺多聲道氣體虧聲流量計作為該貿易計量站的主計量表后，由計量主管部門(mén)、買(mǎi)主、輸氣公司和賣(mài)主四方協(xié)商一致決定在每一臺超聲流量計的下游都分別串接上一臺氣體渦輪流量計作為對照檢查用表，以確保流量量值的可信度（有效性）。該渦輪表在上游2D條件下完全符合ISO－9951。
    按方案（2）改造的該站于2000年8月1日投運，投運半年后的實(shí)際效果證明已完全達到現代化改造的設計要求。由于不再有校準差壓變送器的工作，也不再需要檢查孔板流量計或檢查密度計，使得維護的工作量大大減少�，F在有限的維護工作包括校準6臺壓力變送器，3個(gè)測溫元件和對渦輪流量計的定期加油潤滑。此外，超聲流量計的自診斷功能大大增強了操作者對整個(gè)計量系統運行的信心。計算得出的VOS與實(shí)測得出的VOS符合 程度達到0.1%~0.2%（預定指標為1％）。這使得該項目的有關(guān)部門(mén)對氣體超聲流量計、溫壓測量結果和在線(xiàn)氣體色譜儀都更有信心。這對進(jìn)一步的能量計量都是十分重要的�，F在由于每條測量管線(xiàn)上都安裝了兩個(gè)壓力變送器，因此這兩臺表的誤差也能及時(shí)發(fā)現。由超聲和渦輪這兩種流量計在每一小時(shí)內所測得以標立方米為單位的體積總量，其一致程度在±0．3％以?xún)�。（預定指標為±0．5％）這樣，超聲和渦輪這兩種流量計就都展示了它們能在有干擾的流動(dòng)條件下仍保持滿(mǎn)意的計量特性�？装�、超聲、渦輪、渦街的性能對比如表4所示。

    三、結束語(yǔ)
    修訂中的ISO－5167規定在孔板上游使用更長(cháng)的直管段，這對于已建成的或正在設計中的天然氣貿易計量站無(wú)疑會(huì )造成一定沖擊或帶來(lái)不同程序的影響。本文介紹了英國采用超聲流量計取代孔板實(shí)現天然氣貿易計量的成功經(jīng)驗，這也是針對ISO標準的新要求而在技術(shù)上采取的一種應對措施。其實(shí)，在我國也早已有這方面的成功實(shí)踐，位于北京通州區次渠鎮的北京東效天然氣計量站，原設計擬采用4路DN400孔板（3用，1備），后經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析決定采用DN400的兩臺三聲道氣體超聲流量計取代了4臺孔板流量計及相應的管道與閥門(mén)，不僅使總投資節省了1／4，占地面積減少而且提高了該站的計量技術(shù)水平，自2000年12月正式以來(lái)，至今運行平穩正常。