摘要:闡述了孔板流量計的構成及其特點。詳盡分析了孔板流量計在計量中存在的問題，闡明了產生這些問題的原因。提出了解決天然氣能源計量的方案和措施。
流體流量的檢測與控制是各行各業加強物料管理、能源管理，進行物資交接、財務結算、經濟核算、效益分析與評價及至決策的重要依據;也是企業監控生產過程，使其保護優質、高效、安全、平穩運行和改善環境的重要手段。從某種意義上講:計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益。現代企業對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度。國際上用于天然氣流量測量的儀器儀表，使用經驗最豐富，標準化程度最高的是同心直角銳孔板流量計，常稱標準孔板流量計，簡稱孔板流量計。孔板流量計是一種典型的節流差壓式流量計。據調查統計，目前在我國天然氣貿易交接計量中，孔板流量計占90%以上。孔板流量計所以得到如此的廣泛的應用，主要是因為它具有以下兩個非常突出的特點:①結構簡單、安裝方便、工作可靠、成本低，又具有一定精度。能滿足工程測量、貿易結算的需要;②有很長的使用歷史,有豐富的、可靠的實驗數據，設計加工已經標準化。只要按標準設計加工的孔板流量計,不需要進行實際標定，也能在已知的不確定度范圍內進行流量測量。
然而孔板流量計在實際計量運行中存在著諸多影響計量誤差的因素。
1.差壓式流量計的測量原理
差壓式流量計的測量以能量守恒定律和流體流動連續性方程為基礎，即在充滿流體的管道中固定放置一個流通面積小于管道截面積的節流件，則管內流束在通過該節流件時就會造成局部收縮(圖1)。在收縮處，流速增加，靜壓力降低，于是在節流件前后將產生一定的壓力差，而且隨流體流速增加，靜壓力差就越大，而對于一-定形狀和尺寸的節流件，一定的測壓位置和前后直管段,在一定的流體參數情況下，節流件前后的差壓△P與流量Qv之間有-定的函數關系，故可通過測量節流件前后的差壓來測量流體流過節流裝置時的流量大小。即:
Qv=K×(△PxP)1/2
1.1孔板流量計的組成
孔板流量計由能將流體流量轉換成差壓信號的節流裝置及測量溫度、壓力、差壓變送器和進行積算的流量計組成(圖2)。安裝在流通管道中的節流裝置也稱“-次裝置”，它包括孔板、取壓裝置和前后直管段。溫度傳感器、壓力變送器、差壓變送器和流量計稱為“二次儀表”。
“一次儀表”即節流裝置將流體的差壓信號實時地反映給差壓變送器，差壓變送器將此信號轉換成標準直流電流4-20mA信號;而壓力變送器將流體通過節流裝置的壓力信號也轉換成標準直流電流4-20mA信號;同時，溫度傳感器將通過節流裝置的流體的溫度轉換成電阻信號。流量積算儀將前三者信號經過乘、除、開方等流量運算，最后進行累積顯示出來。
安全柵的作用:是自動化儀表過程檢測、控制中的-一個單元，它通過直流-直流轉換電路為現場安裝的變送器提供-個隔離化電源，同時又將變送器4--20mA直流信號轉換成與之隔離的直流信號，實現變送器與電源之間以及變送器與受信儀表之間的雙向隔離。從而使電氣火花竄人不到現場，達到安全隔離的作用。
1.2標準節流裝置組成
標準節流裝置也稱“一次裝置”(圖3),它包括孔板(圖4)、取壓裝置、前后直管段，導壓管。
2差壓式流量計的誤差來源
孔板流量計測量的精度除了取決于孔板節流裝置按標準加工制造和檢驗裝配外，還取決于合理的設計、儀器儀表選型和安裝、運行情況。如流量的波動性范圍、頻繁程度等。由于流量計實際運行工況與設計條件有許多變化，帶來的誤差也是很大的。對孔板流量計的流量測量進行誤差分析和估算，成為工業計量和能源結算的一個重要問題。造成孔板流量計計量誤差的原因可分為以下幾個方面:①孔板本身的設計計算誤差(原理上);②孔板的制造誤差;③安裝誤差;④工藝狀態變化造成的誤差;⑤二次儀表的性能及系統運行引起的誤差;⑥其它因素引起的誤差。
2.1建立流公式數學模型帶來的誤差
嚴格來講,孔板的設計誤差是指理論上孔板的設計誤差，因為流量計算公式是根據伯努利方程和連續性方程推導出來的，在節流裝置的加工計算過程中，工作壓力、工作溫度、管道內徑、大氣壓力、絕對壓力、絕對溫度、流體密度、流體粘度、等熵指數、壓縮系數、最大差壓等都不是精確值，從公式來講就存在一定的誤差。
2.2孔板的加工工藝誤差
孔板的加工誤差包含孔板加工的公差，一般為0.2%。但實際上很多孔板制造廠家由于加工工藝原因，所加工孔板的表面光潔度、人口邊緣，僅目測就明顯達不到設計要求;對于加工尺寸，一般不進行測量，這樣加工出來的孔板精度自然就達不到設計要求。如圖4,影響孔板誤差的設計參數為:①孔板入口直角銳利度;②管徑尺寸與計算不符;③孔板厚度誤差;④節流件附件產生臺階、偏心;⑤孔板上游端面平度;⑥環室尺寸產生臺階、偏心;⑦取壓位置;⑧焊接、焊縫突出;⑨取壓孔加工不規范或堵塞; 節流件不同軸度等;這些誤差均來自于孔板制造廠家。
2.3孔板流量計的安裝誤差
2.3.1直管段造成的誤差
由于孔板安裝要求嚴格，上下游需要足夠長度的直管段。一般的工藝條件較難滿足。通常所用的前10D后5D的直管段安裝方式，在平面只有一個支管或-一個90°彎頭的情況下才滿足，在有空間彎頭、漸擴管、漸縮管、溫度計管、球閥的情況下，需根據要求保證上游、下游最小直管段才能減少安裝誤差。否則附加相對誤差達5%~10%，甚至更高。通常上下游直管段最低要求由廠家提供。
2.3.2孔板在管道上安裝時的誤差
孔板安裝時，當孔板與管道偏心率為0.015D時，誤差為-1%~+1%;法蘭與環室或孔板之間的墊片內孔不得太小，否則嚴重影響上下環室的密封性，差壓值完全失真，造成的誤差可達-60%~十60%。對于安裝時在靠近節流件前面管道的突人管道的環狀焊縫，有如一個節流圓環，它對測量誤差的影響與突人高度、形狀、粗糙度等有關，沒有實測標準是難以確定的。.
2.3.3取壓口及導壓管造成的誤差
取壓口的焊接有毛刺或有堵塞現象會引起誤差。特別在流速較高處，將引起更大的誤差。取壓口的幾何形狀決定了對壓力測量的影響，其誤差為動壓的百分數。另外，對于流體為液體時，取壓管應自節流裝置截面的水平中心兩端水平引出或自水平中心線兩端向下小于45引出;當流體為氣體時，導壓管應從節流裝置截面的上半部引出。否則由于導壓管積水、堵塞,而導致附加誤差的加大。再者，引壓管安裝不能過長(--般不超過50米)，否則，差壓信號不能及時迅速地傳遞給變送器，而造成延遲響應誤差。
2.4工藝狀態變化引起的參數誤差
由流體測量理論可知，流體與節流裝置檢測的差壓信號的關系為:
Qv=0.01252ead2(Op/p1)1/2
由公式可知，影響流量測量精度的參數為:流量系數a,流束膨脹系數e,節流件內徑d,流體密度ρ1。
影響這些參數變化的工藝狀態主要包括:由于管道污垢引起的管徑變化;孔板端面變化;流體工藝條件變化即壓力、溫度引起的流體密度的變化、膨脹系數的變化、流出系數的變化。
2.4.1管道變化對工藝參數的影響
管道變化包括管徑變化和孔板端面變化及底部的污垢堆積。一般的孔板流量參數是在標準情況下的設計參數，也是標準狀態下的參數，為標準管。實際上，由于工業介質的影響，經過一段時間，管道內壁就會有一-層結垢，一般清洗孔板也僅僅是清洗孔板本身，生產條件不考慮工藝管道的清洗，管徑誤差不能不予以考慮。污垢厚度視情況而異，一般有3~8mm厚。此時計量誤差可達2%~5%。并且誤差隨污垢的厚度增加而加大。
2.4.2工藝參數變化帶來的誤差
工藝參數的主要變化為:①孔板彎曲(變形);②上游測量管沉積臟物;③上游端面沉積臟物;④孔板入口直角邊緣變鈍、破損;⑤雷諾數范圍不符合標準規定;⑥管道粗糙度影響;⑦流量系數的變化。
2.4.2.1雷諾數對流量系數的影響
雷諾數是表征流體慣性力與粘性力之比的無量綱參數。流量系數的變化是影響測量精度最重要最直接的原因。影響流量系數的因素很多。設計上給出的流量系數是指在標準設計條件下，開孔比和雷諾數為固定值時計算出的理論值。在流體狀態、流量，管道、開孔直徑等基本保持不變的情況下，流量系數一般不影響測量。但工藝上由于設計原因,流體運行有時低于設計的最小雷諾數，此時流量系數的誤差變化很大，此時應從工藝上，對照設計條件分析，應采取更換孔板或縮小管徑的措施。否則必然加大計量誤差。
2.4.2.2管道對流量系數的影響
管道變化除了，上面所說的直接影響流量外，對流量系數的影響主要表現為β值的變化。由于管道污垢堆積，造成管徑比理論值縮小，β值增大,此時通過流量系數對流量的影響為正誤差，反映為隨β值增大，誤差增大;孔板上游管壁粗糙度增加時，速度分布將變陡，流量系數亦將增加，誤差增大。實驗證明，在節流件上游側附近-段管道清除污物可以顯著提高流量系數的測量精度。尤其對于大口徑管道，清洗管段可以顯著縮小誤差。
2.4.2.3孔板對流量系數的影響
孔板由不銹鋼材料1CrIl8Ni9Ti加工而成。開孔直徑除了受溫度影響外，一般不變。但長期使用后,孔板表面的粗糙度將增大，引起的誤差約為2%~3%;因制造質量差，安裝時產生應力或大差壓造成孔板撓曲，測量誤差隨撓曲尺寸的增大而增大。
2.4.2.4流體溫度、壓力變化對流量的影響
根據公式:
式中:ρ1為工況密度;ρ0為標準狀況密度;Z為壓縮系數;P1為工況壓力;P0為標準狀況壓力;T1為工況下的絕對溫度;T0為標準狀況下的絕對溫度。
流體當溫度或壓力發生變化時，必然引起密度的變化，特別是流體為氣體時，更是如此。從而導致流量的變化。由以上公式，也充分說明了若不對壓力、溫度進行時時補償，就一定帶來很大的計量誤差。
2.5二次儀表的性能及環境影響造成的誤差
二次儀表包括壓力變送器、差壓變送器、溫度傳感器、流量積算儀。它們的性能好壞、精度的高低就直接影響整個系統的精度，加上系統長期不間斷運行，受溫度、濕度、粉塵、噪聲、電網等環境的影響，其各部分儀表的穩定性、精度也即日趨下降，甚至損壞，也就必然導致計量誤差的加大。
2.6其它因素引起的誤差
操作人員的檢定、維護過程中由于不按技術參數操作或誤操作而引起的誤差，標準設備的誤差,人為的停電、開關閥門等引起的誤差。
3公司目前天然氣計量的現狀和存在的問題
目前用孔板流量計進行天然氣的計量，就現狀分析，存在著以下幾個方面的問題:
①計量裝置即節流裝置安裝沒有完全按照要求進行;上下游直管段不符合設計要求、節流裝置前后管道不在一條軸線上、前后法蘭與節流裝置連接時所加的密封墊圈存在凹凸現象、引壓管安裝過長或不規范、引壓管或節流裝置存在漏氣。
②有的點位均未增設溫度補償。從本地區來說，最冷與最熱之溫差還是相當大的，接近30℃，也肯定對計量產生很大影響。一般來講，溫度每變:化10C，流量計量誤差就有2%。
③二次計量儀表還屬傳統式組合儀表，分立元件多、單元組合多、系統整體性能滯后、計量精度低、穩定度低(損壞率很高)。
④-二次儀表維護難度大。由于采用環室取壓，法蘭連接，對節流件的定期清洗測試，再次安裝時就難以保證要求;管道的清洗工作根本不能進行。二次儀表必須定期對其校驗，以確保其整體計量精度，對其校驗也是一項非常煩瑣的工作，必須具備相當豐富的實踐經驗與動手能力。另外，還要不定期地對節流裝置前后、引壓管、閥門等部位進行檢漏，以確保壓力信號的真實性。
⑤計量系統由于不具備查閱、通訊等智能功能。計量數據均由人工現場采集、傳送，然后進行人工統計、數據處理、報表等一系列的工作。所以不能時時反應能耗情況，從而缺乏計量的真實性、實效性。
⑥能源計量管理工作落后。目前計量儀表種類繁多，選型不統一、安裝不規范(指選型單位、施工單位、安裝地點、安裝方式方法等)，特別是用戶提供的工藝參數不準確即工藝設備能耗及其定量的最大流量、最小流量、常用流量、工作壓力、工作溫度、介質組分、管徑等;計量系統資產劃分不明，資金投入少，造成日常維護、鑒定、修理延遲，而致使部分計量儀表運行難以保障，導致計量誤差加大。
⑦人們的能源計量意識還有待提高。對計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益,缺乏足夠認識。
4解決差壓式流量計誤差的途徑
①從設計上把好關。務必做到根據用戶用能大小、工藝條件參數等進行設計、選型、確立安裝地點。
②一次節流裝置即孔板盡量采用孔板閥安裝，以消除同心度、密封性等裝配的影響。從而有利于滿足裝配要求，更給維護工作帶來極大的方便。見附圖
③由于節流裝置對前后管道安裝要求非常嚴格，因此上下游所需的直管段必須與閥體配套，并滿足理論要求。確保節流裝置與前后管道安裝在一條軸線上，保證孔板與管道同軸、同心。
④差壓、壓力變送器的安裝位置高于節流裝置;盡量縮短引壓管長度;在最低處增設排污閥。確保差壓、壓力信號的及時性、真實性。
⑤增加溫度補償裝置，減少因溫差變化使流體工藝參數變化所引起的誤差。
⑥掌握用戶工藝設備運行情況，及時調整系統運行參數或更換相應孔板，以滿足工藝參數變化帶來的計量誤差。
⑦為信息化發展所需，采用集成度高，智能化，可靠性、穩定性高的二次儀表。減少由于人工現場采集、傳送，統計,數據處理，報表等出現的諸多問題。降低維護人員的工作強度，提高工作效率。
⑧加強能源計量人員的工作責任心，做好系統的檢修、維護、檢定保養工作，延長其使用壽命，減小計量誤差。
⑨實行規范化，標準化、高規格化的能源計量管理。不斷引進、消化、吸收天然氣計量新技術，加強技術培訓，借鑒國外經驗，盡快建立一支理論技術水平高，安裝、維護能力強的能源計量隊伍。
5結束語
流量計量既是天然氣供需雙方貿易結算的依據，又是生產部門用氣效率的技術指標。在企業生產和經營管理中流量計量是一項日常性的重要的技術基礎工作。天然氣的準確計量不但能公平的進行貿易結算，而且能改進生產工藝，提高產品質量，降低產品生產成本，確保安全生產，提高經濟效益和社會效益。孔板流量計由于它的方便和實用，在流量測量中有著廣泛的應用。對于它在計量中產生的誤差，還應根據各種情況，具體分析，減少計量誤差，使之更好地為生產服務。
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