流量計在天然氣計量的應(yīng)用研究
通過對超聲波流量計和孔板流量計各自優(yōu)缺點對比、安裝及維護中存在的優(yōu)劣勢分析以及隨著社會發(fā)展在未來的應(yīng)用趨勢三個方面的描述,探討了孔板流量計和超聲波流量計在國內(nèi)天然氣計量中現(xiàn)階段的應(yīng)用及對未來發(fā)展趨勢的預(yù)想。
天然氣作為一種能源和化工原料,它燃燒,單位發(fā)熱量大,燃燒后產(chǎn)物對環(huán)境影響小;它潔凈,質(zhì)優(yōu),成本較低,可用它多種精細化工產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品,以上特性是它深受用戶青睞的原因,其計量也越來越被人們重視。從目前國內(nèi)天然氣流量計的使用情況來看,孔板流量計是目前使用范圍zui廣一種。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,貿(mào)易計量的精確化、規(guī)范化要求越來越受到重視,超聲波流量計逐漸開始應(yīng)用于天然氣計量中。本文就這兩種流量計各自的特點以及在未來天然氣計量中的發(fā)展應(yīng)用進行探討。
一、孔板流量計
1.孔板流量計的優(yōu)缺點。要了解孔板流量計的,我們應(yīng)該先要清楚一個孔板流量計系統(tǒng)的組成及工作原理??装辶髁坑嬘锌煞Q為差壓式流量計,主要是由一次檢測部件(節(jié)流部件)和二次顯示儀表(差壓變送器)以及相配套的壓力、溫度補償裝置所組成的。(見下圖)
孔板流量計的工作原理是充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置,在節(jié)流件附近造成局部收縮,流速增加,在其上、下游兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差,見節(jié)流裝置原理圖:
孔板流量計是目前國內(nèi)天然氣計量系統(tǒng)中應(yīng)用zui為廣泛的。它zui主要的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,易于復(fù)制、性能相對穩(wěn)定可靠,價格低廉且無需實流校準(zhǔn),安裝即可投用,后期維護費用較低。另外,它的應(yīng)用范圍廣,包括全部單相流體(液、氣、蒸汽)、部分混相流,一般過程的管徑、工作狀態(tài)(溫度、壓力)皆可以應(yīng)用;并且檢測部件和顯示儀表可以分開,便與化規(guī)模,從而降低產(chǎn)品價格,更加有利于孔板流量計的普及和應(yīng)用。
孔板流量計能夠在國內(nèi)比較廣泛的應(yīng)用,性能相對穩(wěn)定,價格低廉,有較高的性價比是主要因素。但在使用過程中的缺點也很明顯。
其中zui為重要的一點精確度問題,孔板流量計測量介質(zhì)流量的準(zhǔn)確度和很多參數(shù)有關(guān),以天然氣流量計算公式為例從以上公式我們不難看出,zui終流量值受很多參數(shù)的影響,比較重要的如流量系數(shù)、雷諾系數(shù)、氣體膨脹系數(shù)等,只有這些系數(shù)均為恒定值,才能達到差壓和流量之間的恒定對應(yīng)關(guān)系。尤其是其中的流量系數(shù),是一個影響因素復(fù)雜,變化范圍大的重要系數(shù)。流量系數(shù)和取壓點位置、雷諾系數(shù)、管道粗糙度、孔板開孔截面積與管道截面積比值、孔板入口邊緣尖銳度都有關(guān)系。zui終導(dǎo)致孔板流量計的度在流量計中只能屬于中等水平,并且由于實際過程中這些因素錯綜復(fù)雜的影響,精確度難于有所提升,逐漸不能適應(yīng)國內(nèi)越來越市場化、規(guī)范化、高精度的天然氣計量結(jié)算要求。
其他方面,孔板流量計對天然氣的潔凈度有較高的要求,長期使用后可能產(chǎn)生腐蝕、磨損、結(jié)垢、臟污,精度難以保證,需拆下清洗、檢驗確認合格后才能繼續(xù)使用。其次是使用孔板流量計的管道內(nèi)介質(zhì)壓力損失較大,會增加較高的附加費用; 在安裝方面,由于孔板流量計對前后直管段的要求較高,在管徑較大的工況下使用不容易滿足。另外,一般的孔板流量計都是采用法蘭夾持式連接,長期使用維護后容易產(chǎn)生跑、冒、滴、漏的問題,增加了維護工作量。
2.孔板流量計的安裝。
節(jié)流裝置的安裝應(yīng)在兩段具有等直徑的圓形橫截面的直管段之間,也就是我們常說的流量計的前后直管段,在此中間,除了取壓孔、測溫孔外,無其他障礙和連接支管。這是為了保證管道內(nèi)天然氣流速的均勻,不會因外部的原因造成流動不穩(wěn)定,從而造成流量的波動及誤差。前后直管段要求一般要滿足前10D后4D(D為管道內(nèi)直徑),見圖1。
孔板流量計的安裝還需要注意幾個問題:
2.1直線度:這個一般要求的是通過目測的方式檢查節(jié)流裝置與前后直管段是否處于同一管道中心線上。
2.2焊縫的內(nèi)管壁平整:孔板流量計對前后直管段的管內(nèi)清潔度有較高的要求。在管道與節(jié)流裝置配對法蘭焊接的過程中,應(yīng)確保管道內(nèi)壁沒有因焊接造成的凸起。因此,在實際施工中,第一層焊縫多采用氬弧焊接,并在焊接中進行充壓保護。
2.3管道圓度:這個是一個在施工中容易忽略的問題。管道可能在運輸、搬運、吊裝的過程中產(chǎn)生擠壓變形,這種管道作為孔板流量計的前后直管段,就可能造成誤差。因此,應(yīng)對管道進行檢查,確認
無肉眼可識別的凹陷或變形。
2.4壓力及溫度點:壓力點應(yīng)安裝在孔板流量計的前直管段的主管或差壓變送器正壓側(cè)取壓管上;而溫度點zui好在孔板下游側(cè)直管段外測得,它與孔板之間的距離可等于或大于5D,但不得超過15D;
2.5節(jié)流裝置取壓口的方向。在測量液體介質(zhì)時
2.6內(nèi)孔板的安裝應(yīng)該在管道吹掃完成后安裝;以上的安裝注意事項都是為了zui大程度上確??装辶髁坑嫷臏y量準(zhǔn)確度,減少因安裝失誤造成的誤差。
二、超聲波流量計
1.超聲波流量計的優(yōu)缺點。超聲波流量計是近年來比較認同的一種天然氣計量用流量計,具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程寬、抗干擾能力強、維修工作量少、能測量雙向流等優(yōu)點。測量方式主要分為固定式和便攜式兩種形式,可用來測量不易接觸、不易觀察的流體流量和大管徑流量。它不會改變流體的流動狀態(tài),不會產(chǎn)生壓力損失,安裝也相對比較方便。可以測量強腐蝕性介質(zhì)、非導(dǎo)電介質(zhì)、各種液體和污水的流量,應(yīng)用范圍較廣,同時測量范圍較大,從管徑20mm~5m都可以使用。
超聲波流量計是一種技術(shù)含量較高的新興產(chǎn)品,它的高技術(shù)門檻就導(dǎo)致了制造成本很高,整體儀表價格居高不下,性價比不高,較大程度限制了它在國內(nèi)的普及。另外,高技術(shù)同時也就意味著高要求、多參數(shù),因此前期對實際工況環(huán)境參數(shù)須有個比較準(zhǔn)確的判斷,才能確保證測量精度的穩(wěn)定性。另外,超聲波流量計使用前的標(biāo)定也是一個需要重視的問題,對于直徑小于300mm的管道,超聲波流量計的標(biāo)定還可以做到;對于直徑大于300 mm的高壓大流量管道,超聲波流量計的標(biāo)定就比較難辦到。
其他方面,超聲波流量計的溫度測量范圍不高,一般只能測量溫度低于200℃的流體,前后直管段一般要求還是前10D,后5D,安裝上也有比較嚴格的要求,探頭間的距離、探頭插入管道的深度,這些工作中都包含了一定的不穩(wěn)定性,這也會給流量測量帶來一定的誤差。
2.超聲波流量計的安裝。要正確安裝超聲波流量計,首先須了解其工作原理。超聲波流量計目前zui為常用的測量方法為傳播速度差法。傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法,其基本原理都是測量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r速度之差來反映流體的流速,從而測出流量。
超聲波流量計安裝示意圖如下:
三、超聲波、孔板流量計在未來的發(fā)展
1.市場環(huán)境。任何行業(yè)的任何產(chǎn)品的更新?lián)Q代,都和這個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)提升、市場要求提高有著密不可分的聯(lián)系。隨著中國加入WTO,外資企業(yè)不斷進入我國天然氣市場以及引進國外天然氣的可能性、天然氣計量與國際接軌成為須要面對的現(xiàn)實問題,其計量觀念與發(fā)展趨勢也將由此而發(fā)生系列變化。我國天然氣計量會出現(xiàn)幾個方面發(fā)展:
1.1檢定方式從靜態(tài)單參數(shù)向動態(tài)多參數(shù)溯源發(fā)展 。過去流量計檢定方式通常采用檢定靜態(tài)單參數(shù)方法,如標(biāo)準(zhǔn)孔板依靠幾何檢定法檢定孔板的8個幾何靜態(tài)單參數(shù)來保證流量計的準(zhǔn)確。隨著國內(nèi)國外實流檢定技術(shù)的成熟,天然氣流量量值溯源正逐步向?qū)嵙鳈z定方向發(fā)展,即以實際天然氣介質(zhì)、在接近實際現(xiàn)場工況等條件下對流量的分參數(shù)如壓力、溫度、氣質(zhì)組分和流量總量進行動態(tài)量值溯源。
1.2儀表選型從單一儀表向多元化儀表發(fā)展 。目前大多數(shù)天然氣化工單位的流量儀表選型比較單一,無論是外部計量還是內(nèi)部計量主要都是以孔板流量計為主。但隨著對流量計的研究和開發(fā),不同的流量計有不同的特點和適應(yīng)范圍,流量儀表選型由此呈現(xiàn)從單一儀表向多元化儀表方向發(fā)展。
1.3計量標(biāo)準(zhǔn)由單一標(biāo)準(zhǔn)向多重標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展 。我國天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展、豐富和完善,結(jié)合國外標(biāo)準(zhǔn)后我國流量計量標(biāo)準(zhǔn)已基本構(gòu)成完整的體系,正逐步由單一標(biāo)準(zhǔn)向多重標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展。
1.4計量管理從事后計量事前過程管理發(fā)展。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展,人們越來越重視天然氣計量,特別是貿(mào)易計量。因此,人們對天然氣計量在管理觀念上正發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變,不僅對現(xiàn)場計量器具的使用及相應(yīng)人員進行管理,并從事后計量糾紛解釋向加強事前儀表采購選型、安裝使用、過程控制、質(zhì)量監(jiān)督、數(shù)據(jù)管理、實流檢定的管理轉(zhuǎn)變和發(fā)展。
2.未來發(fā)展探討。隨著與國際社會的逐漸接軌,不論是計量標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝還是實際運用中的檢定安裝維護措施,要求都會隨之越來越高。從目前國內(nèi)的在天然氣計量上的應(yīng)用,還是以孔板流量計為主,相信在以后較長的一段時間內(nèi),孔板流量計仍是主要的計量儀表。其較高的性價比較為普及的制造工藝和成熟的測量技術(shù)及較為穩(wěn)定的性能基本滿足目前國內(nèi)大多數(shù)天燃氣化工企業(yè)的要求。另外,孔板的出現(xiàn),也的提高了孔板流量計在拆除、清洗、更換的便捷度,更加提高了孔板流量計的應(yīng)用價值。但我們也不能忽視孔板流量計測量精度有限的硬傷,這是在未來天然氣貿(mào)易計量中不可忽視的問題。
超聲波流量計的應(yīng)用是國內(nèi)天然氣行業(yè)逐漸重視貿(mào)易計量的必然趨勢,精確度高、無壓力損失、維護方便都是其重要特點,同時也逐漸成為國內(nèi)外貿(mào)易計量中認同度比較高一種流量計。但超聲波流量計在以后較長的一段時間內(nèi)很難在國內(nèi)獲得普及,zui根本的原因就是其目前國內(nèi)貿(mào)易計量體系還不是很完善,還未與國際的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求接軌。而超聲波流量計的制造價格不適合國內(nèi)中小型工程投資運營行情。一臺用于貿(mào)易結(jié)算的超聲波流量計往往都是采用多組探頭檢測流量,這種超聲波流量計的價格基本都是在幾十萬甚至更高,中小型天然氣化工裝置一般不會考慮這種造價高昂的產(chǎn)品,而是會采用價格更為低廉,能基本滿足國內(nèi)計量要求的孔板流量計。其他方面,從目前國內(nèi)的工程投資情況看,項目從立項到建設(shè)再到運營,“快”是一個重要的主線,一旦一個項目立項,設(shè)計要快,施工要快,zui終達到以zui快的速度開始進入運營,zui快速度搶占市場。不能否認這是一種zui好的融入市場的方法,但快中必然出現(xiàn)諸多的遺漏或是不完善,而對于超聲波流量計這種對前期數(shù)據(jù)分析要求比較嚴苛的儀表,一個重要數(shù)據(jù)的偏差或者遺漏,就可能導(dǎo)致這臺造價高昂的儀器僅僅是流量的一種參考而不是標(biāo)準(zhǔn),失去存在的意義。
四、結(jié)語
孔板流量計在以后較長一段時間內(nèi)還是會占據(jù)國內(nèi)天然氣計量儀表的重要位置,但隨著與國際社會的接軌度越來越高,國內(nèi)計量體系的逐漸完善,孔板流量計在無重大技術(shù)突破,而超聲波流量計技術(shù)越來越成熟的情況下,zui終會被取代,從而形成對外貿(mào)易計量使用超聲波流量計,對內(nèi)成本考核計量采用孔板流量的局面。
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