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差压式孔板流量计计量天然气流量的误差分析
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0 引言
标准孔板流量计结构简单，操作较方便，使用技术成熟，使得其在管道计量中得到广泛应用，据统计，目前孔板流量计是我国天然气管道计量用得最多的计量设备，占整个贸易计量的50%左右。为了规范孔板流量计量，国家专门制定了GB2628和SY/T 6143计量标准，对计量系统进行了说明和要求，同时，也出台天然气场站仪表配备指南，对计量系统仪器仪表精度等级进行了要求。但是由于孔板流量计计量系统的结构特点,决定了会产生两种误差，一种是基本误差，这是流量计本身所存在的误差，第二种是附加误差，是由于流量计在使用时偏离了标准条件产生的。由于人为操作的环节多，且天然气这一物质的计量是一种连续的、不可重复的计量，若不加以适时监控，所引起的计量附加误差相当大，尤其当天然气作为商品进行贸易结算时，为供需双方带来不利影响,本文分析了产生误差的主要原因，并提出了相应的整改措施。
1 孔板流量计的结构组成及其测量原理
1.1 结构组成
孔板流量测量系统一般由节流装置(标准孔板)、压力变送器、差压变送器、铂热电阻及其流量积算仪组成。其中孔板节流装置包括孔板、孔板夹持器和上下游直管段。其结构如图1所示。
天然气经过孔板后，在孔板前后产生差压，实验结果证明，天然气的流量和差压的平方根成正比，算出比例系数也就测出了流量。
(1)差压式孔板流量计包括三部分:①现场取压部分，包括高级孔板阀、前后直管段、导压管;②温度、压力、组分补偿部分，包括现场用温度变送器、压力变送器、天然气组分分析仪计量的实时数据;③流量计算部分，指专用流量计算机(或计算仪)所安装的计量标准程序。(2)在实际应用过程中，当充满管道的流体流经管道内的节流件时，如图2所示。
2 误差因素分析及技术要求
2.1 基本误差
(1)由计量装置本身精确度所决定的误差。由于孔板流量计测得的流量是根据差压信号间接求得的。从公式可以看出，影响计量精确度的主要因素是α、F、ε等值。必须保持α、F、ε均为恒定值,才能达到差压和流量之间有恒定的对应关系。但在实际生产中，α、F、ε都与某些因素有关，特别是流量系数α，它是一个影响因素复杂，变化范围大的重要系数，如果在计量过程中不能保证α为恒定值，则计量误差将会较大。
从资料和实验证明，流量系数α值与取压点位置、孔板的开孔截面积和管道截面积比(m=d2/D2)、雷诺数、管壁粗糙度、孔板入口边缘尖锐度有关。所以，标准孔板的选用应符合下列技术要求:
孔板相对于开孔直径d的轴线中心对称;
孔板上游端面A应于下游端面B平行，并且与开孔直径d的轴线垂直;
孔板A面、B面应无可见的损伤;
孔板开孔直径d的上游测直角入口边缘G应锐利,无毛刺和划痕。
孔板开孔直径d的内圆柱表面长度e应符合:0.005D≤.. e≤0.02D;
孔板的厚度应符合:e≤F≤0.005D;
孔板下游侧出口边缘H和孔板开孔圆柱形下游侧出口边缘I应无毛刺、划痕和可见损伤;
标准孔板在使用过程中,会由于天然气的侵蚀而产生变形,从而引起流量系数增大而产生计量误差。因此孔板的材质也是保证孔板工作可靠和计量准确的一个因素。用于天然气计量的孔板采制一般为:Cr17、Cr18Ni9TiC以及其他耐酸钢。
(2)变送器和流量显示仪表的精确度对整套流量计系统的精确度也很重要。目前，变送器大多数采用的都是 4～20mA信号，显示仪表采用数字信号，只要变送器现场安装和系统接地没有问题，整个系统误差不会受到影响。为了减小误差，标准明确了配套仪表的技术要求，设计和使用单位可以参考（见表1）[2]。
2.2 附加误差
如果仪表的制造、选型都严格按照标准执行，而在安装和使用过程中，没有严格遵守技术要求执行，就会造成误差，这种误差的大小是无法估计的。但是通过对造成误差因素的分析，可以将误差降低。
孔板计量系统安装使用时，必须符合下列技术要求:
(1)孔板安装时，他的开孔中心和管道中心轴线同心，而且它的端面与管道轴线垂直。
(2)孔板上下游侧取压孔轴线符合距孔板上下游端面的距离为25.4±0.8mm的要求(目前国内绝大部分取压方式采用法兰取压)。
(3)取压孔的轴线应与孔板上下游侧2D计量管长度的内圆柱的轴线垂直，取压孔的轴线与孔板两端面向外倾斜角的夹角不大于3度。取压孔直径不应大于0.08D。
(4)孔板安装需要前后直管段，直管段的长度必须满足标准要求，必要时安装整流器。
(5)导压管应采用耐腐蚀材料，其内径不小于6mm，长度最好在16mm以内，导压管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1:12。
(6)计量气体温度的温度计最好安装在孔板下游侧直管段以外的地方，计算气量时应将此时所测的气流温度换算成孔板上游侧的气流温度，如果温度计安装在孔板上游侧，则温度计套管与孔板之间的直管段长度L应满足下列规定:当温度计套管直径不大于0.03D时(D为计量管内径)，L≥5D;当温度计套管直径在0.03D至0.13D范围内时(D为计量管内径)，L≥20D。
2.3 其他方面的差
（1）仪器本身产生的误差
孔板入口直角锐利度超出标准规定；管径尺寸与计算不符；孔板厚度误差；节流件附件产生台阶、偏心；孔板上游端面不平整度；环室尺寸产生台阶、偏心；取压位置不符合标准；焊接、焊缝突出；取压孔加工不规范或堵塞；节流件不同轴度。
（2）安装误差
管线布置的偏离及取压管产生积液，温度传感器测温元件距离装置较远，其主要原因是装置前后直管段长度不能满足标准要求。
（3）使用误差
孔板弯曲、变形及上游端面沉积脏物；上游取压管沉积脏物；孔板入口直角边缘变钝、破损。
3 解决天然气孔板计量问题的途径
3.1 依据标准,加强仪表的安装、使用、维护等管理,消除人为误差孔板流量计易于偏离标准的原因，在于仪表本身的工作原理与结构特点，仪器自身误差是制造时产生的，安装和使用误差则是在安装时或长期使用中由于流体介质腐蚀和磨损等：天然气计量中的存在问题及解决方法腐蚀、磨损、沾污等造成的。因此，应严格按技术要求安装流量计量系统，消除安装误差。在使用过程中，操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作，延长其使用寿命，减小计量误差。同时，在实际应用中应强化宣贯彻SY/T6143-2004标准力度，标准在附录《节流装置在使用中出现部分偏离标准规定的处理》中规定，在实际应用中采取在流出系数C中增加二个修正系数，即孔板入口尖锐度修正系数和管壁粗糙修正系数，或者采用可换孔板节流装置。因此在天然气计量的实际应用中应深入研究，正确掌握标准内容，严格按标准规定安装、使用、处理数据，确保天然气流量计量的准确度满足生产经营要求。
3.2 正确选用配套的仪表
(1)测量天然气流量的标准孔板节流装置的制作应符合标准要求，配套的压力、差压及Pt100铂热电阻的型号、准确度和量程应与现场工况条件相匹配，尤其是流量积算仪或计算机系统配套软件及计量模型，应等同采用SY/T6143-2004标准的计算公式，或近AGA ReportNo.3最新版本。
(2)孔板流量计测量范围(量程比)较窄，一般为3∶1或4∶1，但可以在孔径比0:1≤β≤0:75范围内通过调整标准孔板的内径来扩大量程。但要选择较宽量程比的压力和差压变送器，智能积算系统能输入组份实时计算C值。
(3)现场安装条件要求高，往往无法满足天然气管网输配气计量宽量程的需要。孔板锐角边的磨损、结垢等因素均会影响计量精度。需要经常检查、清洗孔板。用于贸易交接计量的测量天然气流量和标准孔板、压力和差压变送器、温度变送器和气相色谱仪等配套器具,需按期检定。
3.3 引用国外先进技术，加快新型流量计的开发天然气是21世纪日益重要的一次性能源，在天然气国际贸易中，能量计量几乎已全面取代传统的体积计量，而我国目前仍采用天然气体积计量方式。为了尽快与国际接轨，引进、消化、吸收近几年发展起来的天然气计量新技术成为当务之急，使用单位可以与各科研究院所联合攻关，开展天然气能量计量的试验工作，并在此基础上加快技术装备、计量仪表和计算方法的标准化建设步伐。为了加快试验开发的进度，建议引进国外先进的在线气相色谱系统和流量计算机，在消化引进技术的基础上发展适合我国国情的天然气能量计量系统。
4 结论
影响流量计的计量误差因素很多，如天然气的组分影响、管道粗糙的影响、上下游用户计量方式不同等等。因此，不仅要解决上述的几个问题，而且还要改进工艺流程，加强计量监督检查，提升计量人员的业务水平，熟悉计量法律法规及计量交接协议的规定。只有这样，才能消除流量计的计量附加误差，提高标准孔板流量计的计量准确性。(end)
标准孔板流量计结构简单，操作较方便，使用技术成熟，使得其在管道计量中得到广泛应用，据统计，目前孔板流量计是我国天然气管道计量用得最多的计量设备，占整个贸易计量的50%左右。为了规范孔板流量计量，国家专门制定了GB2628和SY/T 6143计量标准，对计量系统进行了说明和要求，同时，也出台天然气场站仪表配备指南，对计量系统仪器仪表精度等级进行了要求。但是由于孔板流量计计量系统的结构特点,决定了会产生两种误差，一种是基本误差，这是流量计本身所存在的误差，第二种是附加误差，是由于流量计在使用时偏离了标准条件产生的。由于人为操作的环节多，且天然气这一物质的计量是一种连续的、不可重复的计量，若不加以适时监控，所引起的计量附加误差相当大，尤其当天然气作为商品进行贸易结算时，为供需双方带来不利影响,本文分析了产生误差的主要原因，并提出了相应的整改措施。
1 孔板流量计的结构组成及其测量原理
1.1 结构组成
孔板流量测量系统一般由节流装置(标准孔板)、压力变送器、差压变送器、铂热电阻及其流量积算仪组成。其中孔板节流装置包括孔板、孔板夹持器和上下游直管段。其结构如图1所示。
图1 孔板节流装置的组成
天然气经过孔板后，在孔板前后产生差压，实验结果证明，天然气的流量和差压的平方根成正比，算出比例系数也就测出了流量。
(1)差压式孔板流量计包括三部分:①现场取压部分，包括高级孔板阀、前后直管段、导压管;②温度、压力、组分补偿部分，包括现场用温度变送器、压力变送器、天然气组分分析仪计量的实时数据;③流量计算部分，指专用流量计算机(或计算仪)所安装的计量标准程序。(2)在实际应用过程中，当充满管道的流体流经管道内的节流件时，如图2所示。
2 误差因素分析及技术要求
2.1 基本误差
(1)由计量装置本身精确度所决定的误差。由于孔板流量计测得的流量是根据差压信号间接求得的。从公式可以看出，影响计量精确度的主要因素是α、F、ε等值。必须保持α、F、ε均为恒定值,才能达到差压和流量之间有恒定的对应关系。但在实际生产中，α、F、ε都与某些因素有关，特别是流量系数α，它是一个影响因素复杂，变化范围大的重要系数，如果在计量过程中不能保证α为恒定值，则计量误差将会较大。
从资料和实验证明，流量系数α值与取压点位置、孔板的开孔截面积和管道截面积比(m=d2/D2)、雷诺数、管壁粗糙度、孔板入口边缘尖锐度有关。所以，标准孔板的选用应符合下列技术要求:
孔板相对于开孔直径d的轴线中心对称;
孔板上游端面A应于下游端面B平行，并且与开孔直径d的轴线垂直;
孔板A面、B面应无可见的损伤;
孔板开孔直径d的上游测直角入口边缘G应锐利,无毛刺和划痕。
孔板开孔直径d的内圆柱表面长度e应符合:0.005D≤.. e≤0.02D;
孔板的厚度应符合:e≤F≤0.005D;
孔板下游侧出口边缘H和孔板开孔圆柱形下游侧出口边缘I应无毛刺、划痕和可见损伤;
标准孔板在使用过程中,会由于天然气的侵蚀而产生变形,从而引起流量系数增大而产生计量误差。因此孔板的材质也是保证孔板工作可靠和计量准确的一个因素。用于天然气计量的孔板采制一般为:Cr17、Cr18Ni9TiC以及其他耐酸钢。
(2)变送器和流量显示仪表的精确度对整套流量计系统的精确度也很重要。目前，变送器大多数采用的都是 4～20mA信号，显示仪表采用数字信号，只要变送器现场安装和系统接地没有问题，整个系统误差不会受到影响。为了减小误差，标准明确了配套仪表的技术要求，设计和使用单位可以参考（见表1）[2]。
2.2 附加误差
如果仪表的制造、选型都严格按照标准执行，而在安装和使用过程中，没有严格遵守技术要求执行，就会造成误差，这种误差的大小是无法估计的。但是通过对造成误差因素的分析，可以将误差降低。
孔板计量系统安装使用时，必须符合下列技术要求:
(1)孔板安装时，他的开孔中心和管道中心轴线同心，而且它的端面与管道轴线垂直。
(2)孔板上下游侧取压孔轴线符合距孔板上下游端面的距离为25.4±0.8mm的要求(目前国内绝大部分取压方式采用法兰取压)。
(3)取压孔的轴线应与孔板上下游侧2D计量管长度的内圆柱的轴线垂直，取压孔的轴线与孔板两端面向外倾斜角的夹角不大于3度。取压孔直径不应大于0.08D。
(4)孔板安装需要前后直管段，直管段的长度必须满足标准要求，必要时安装整流器。
(5)导压管应采用耐腐蚀材料，其内径不小于6mm，长度最好在16mm以内，导压管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1:12。
(6)计量气体温度的温度计最好安装在孔板下游侧直管段以外的地方，计算气量时应将此时所测的气流温度换算成孔板上游侧的气流温度，如果温度计安装在孔板上游侧，则温度计套管与孔板之间的直管段长度L应满足下列规定:当温度计套管直径不大于0.03D时(D为计量管内径)，L≥5D;当温度计套管直径在0.03D至0.13D范围内时(D为计量管内径)，L≥20D。
2.3 其他方面的差
（1）仪器本身产生的误差
孔板入口直角锐利度超出标准规定；管径尺寸与计算不符；孔板厚度误差；节流件附件产生台阶、偏心；孔板上游端面不平整度；环室尺寸产生台阶、偏心；取压位置不符合标准；焊接、焊缝突出；取压孔加工不规范或堵塞；节流件不同轴度。
（2）安装误差
管线布置的偏离及取压管产生积液，温度传感器测温元件距离装置较远，其主要原因是装置前后直管段长度不能满足标准要求。
（3）使用误差
孔板弯曲、变形及上游端面沉积脏物；上游取压管沉积脏物；孔板入口直角边缘变钝、破损。
3 解决天然气孔板计量问题的途径
3.1 依据标准,加强仪表的安装、使用、维护等管理,消除人为误差孔板流量计易于偏离标准的原因，在于仪表本身的工作原理与结构特点，仪器自身误差是制造时产生的，安装和使用误差则是在安装时或长期使用中由于流体介质腐蚀和磨损等：天然气计量中的存在问题及解决方法腐蚀、磨损、沾污等造成的。因此，应严格按技术要求安装流量计量系统，消除安装误差。在使用过程中，操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作，延长其使用寿命，减小计量误差。同时，在实际应用中应强化宣贯彻SY/T6143-2004标准力度，标准在附录《节流装置在使用中出现部分偏离标准规定的处理》中规定，在实际应用中采取在流出系数C中增加二个修正系数，即孔板入口尖锐度修正系数和管壁粗糙修正系数，或者采用可换孔板节流装置。因此在天然气计量的实际应用中应深入研究，正确掌握标准内容，严格按标准规定安装、使用、处理数据，确保天然气流量计量的准确度满足生产经营要求。
3.2 正确选用配套的仪表
(1)测量天然气流量的标准孔板节流装置的制作应符合标准要求，配套的压力、差压及Pt100铂热电阻的型号、准确度和量程应与现场工况条件相匹配，尤其是流量积算仪或计算机系统配套软件及计量模型，应等同采用SY/T6143-2004标准的计算公式，或近AGA ReportNo.3最新版本。
(2)孔板流量计测量范围(量程比)较窄，一般为3∶1或4∶1，但可以在孔径比0:1≤β≤0:75范围内通过调整标准孔板的内径来扩大量程。但要选择较宽量程比的压力和差压变送器，智能积算系统能输入组份实时计算C值。
(3)现场安装条件要求高，往往无法满足天然气管网输配气计量宽量程的需要。孔板锐角边的磨损、结垢等因素均会影响计量精度。需要经常检查、清洗孔板。用于贸易交接计量的测量天然气流量和标准孔板、压力和差压变送器、温度变送器和气相色谱仪等配套器具,需按期检定。
3.3 引用国外先进技术，加快新型流量计的开发天然气是21世纪日益重要的一次性能源，在天然气国际贸易中，能量计量几乎已全面取代传统的体积计量，而我国目前仍采用天然气体积计量方式。为了尽快与国际接轨，引进、消化、吸收近几年发展起来的天然气计量新技术成为当务之急，使用单位可以与各科研究院所联合攻关，开展天然气能量计量的试验工作，并在此基础上加快技术装备、计量仪表和计算方法的标准化建设步伐。为了加快试验开发的进度，建议引进国外先进的在线气相色谱系统和流量计算机，在消化引进技术的基础上发展适合我国国情的天然气能量计量系统。
4 结论
影响流量计的计量误差因素很多，如天然气的组分影响、管道粗糙的影响、上下游用户计量方式不同等等。因此，不仅要解决上述的几个问题，而且还要改进工艺流程，加强计量监督检查，提升计量人员的业务水平，熟悉计量法律法规及计量交接协议的规定。只有这样，才能消除流量计的计量附加误差，提高标准孔板流量计的计量准确性。(end)
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