孔板流量计的误差来源与实际控制
摘要 标准孔板流量计是一种非常成熟的流量计，在多年的试验和使用过程中积累了大量的数据和经验，以其耐高压，安装使用维护方便等诸多优点在我国天然气计量中占有主导地位。本文就孔板流量计的在应用中误差来源加以识别，分析了误差产生原因，并针对现场实际情况，提出了控制措施。
关键词 天然气；孔板流量计；误差；原因；控制
中图分类号TE642 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）52-0080-03
天然气流量计量已经成为天然气工业生产发展的重要组成部分，天然气流量计量仪表品种很多，其中孔板流量计自20世纪70年代引入我国使用，逐步在天然气流量计量中获得了广泛应用，到目前为止，孔板流量计在我国天然气计量中仍然占有主导地位。标准孔板流量计最主要的优点是耐高压，安装使用维护方便，对介质洁净程度的要求也不高，可与电子仪表和机械仪表单独配套，在多年的试验和使用过程中积累了大量的数据和经验，是一种非常成熟的流量计。但是，由于组成测量系统的组成环节较多，影响孔板计量准确度的因素很多，现就孔板流量计的误差来源加以分析，并针对误差来源，在实际应用中采取相应措施，以提高计量准确度。
1 孔板流量计的组成和原理
1.1 孔板流量计的组成
标准孔板流量计由截流装置，信号引线和二次仪表系统组成。其中节流装置是使管道中流体产生静压力差的装置，主要由标准孔板，取压装置和上下游直管段组成。
1.2 基本原理
充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样依据压差来衡量流量的大小。如图1所示。
图1
2 孔板流量计的计算方法和参数变量分析
这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的。
2.1 流量计算公式
根据《天然气流量的标准孔板计量方法》（SY/6143-2004）给出的天然气在标准参比条件下的体积流量计算实用公式：
式中：
Qvn为天然气在标准参比条件下的体积流量；
Avn为体积流量计算系数；
C为流出系数；
E为渐进速度系数；
d为孔板开孔直径；
FG为相对密度系数；
ε为可膨胀系数；
FT为超压缩系数；
FZ为流动温度系数；
P1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压；
△ P为气流流经孔板时产生的差压。
2.2 由参数的确定分析流量测量的误差源
1）Avn确定方法：视采用的计量单位而定
秒体积流量（m3/s）Avn：=3.1795×10-6；
小时体积流量（m3/h）Avn：=0.011446；
日体积流量（m3/d）Avn：=0.27471。
2）C确定方法：里德-哈利斯/加拉赫（Reader-Harris/Gallagher）公式
C=0.5961+0.0261β2-0.216β8+0.000521（106β/ReD）0.7+（0.0188+0.0063A）β3.5（106/ReD）0.3+（0.043+0.080e-10L1-0.123e-7L1）（1-0.11A）β4/（1-β4）-0.031（M"2-）β1.3
在D＜71.12mm情况下，上述公式应加上下列数项
+0.011（0.75-β）（2.8-D/25.4）（D:mm）
式中：β=d/D——直径比；
ReD与D有关的雷诺数；
A=（19000β/ReD）0.8
M"2=2L"2/（1-β）
L1=l1/D——孔板上游端面到上游取压口的距离除以管道直径的商；
L"2=l"2/D——孔板下游端面到下游取压口的距离除以管道直径的商（符号L"2表示自孔板下游端面为起始位置的有关下游间距，而L2表示自孔板上游端面为起始位置的有关下游间距）；
D——mm；
对于角接取压法 L1=L"2=0；
对于D和D/2取压法 L1=1，L2=0.47；
对于法兰取压法 L1=L"2=25.4/D
3）ε的确定方法
ε=1-（0.351+0.256β4+0.93β8）[1-（P2/P1） κ]
（1）涉及到的中间变量
κ为等熵指数，等熵指数是压力和温度的函数，必要时采用κ=1.3；
P2为孔板下游侧绝对静压P2= P1-△P。
（2）涉及到的独立变量
P1为孔板上游侧绝对静压；
△P为差压，计量仪表的实测值。
4）d的确定方法
d=d20[1+λd（t1-t20）]
（1）涉及到的中间变量
λd孔板材料在20℃~t1范围内的线膨胀系数，根据孔板材料为确定值
（2）涉及到的独立变量
d20为孔板开孔在20℃下的实测值
t1为天然气流过节流装置时的实测气流温度。
5）E确定方法
（1）涉及到的中间变量
β=d/D
（2）涉及到的独立变量
d20为孔板开孔在20℃下的实测值；
D20为管道在20℃下的实测值。
6）FG的确定方法
（1）涉及到的中间变量
Gr——气体的真实相对密度；
（2）涉及到的独立变量
天然气的摩尔组分值
7）FT的确定方法
（1）涉及到的中间变量
T1= t1+273.15
（2）涉及到的独立变量
t1-_气体的实际测量温度
8）FZ的确定方法
式中：
Zn为然气在标准状态下的压缩因子，
Z1为然气在工作状态下的压缩因子
涉及到的中间变量：
Zn、 Z1这两个变量都可以通过计算和测量两种方法来确定，可以遵照标准GB/T17747.2 天然气在工作状态下的压缩因子《天然气压缩因子的计算 用摩尔组成进行计算》和标准GB/T17747.3 《天然气压缩因子的计算 用物性值计算》来计算。压缩因子和密度互为函数关系，一般只需测定一个。
由以上参数的确定方法可以看出，在参与计算的参数中，有些是无法实测的，称为统计量，例如流出系数C，可膨胀性系数ε，其他的参数都可以通过测量单独变量计算得出，这些单独变量包括测量管内径d20，孔板开孔直径D20，差压△P，天然气流动的热力学温度t1，天然气流动时上游测的压力P1，相对密度，天然气压缩因子。下面就针对这些参数和变量的性质，分析其误差产生的原因，在实际应用中，采取相应的措施，使天然气计量误差得以降低。
3 天然气计量误差产生的原因分析
3.1统计量的误差分析
1）流出系数C
对于流出系数C的研究，人们一直没有停止过，通过丰富和充分的试验数据，人们对影响流出系数的因素有了许多的认识，影响流出系数偏离的原因[2]：
（1）仪器本身产生的误差
①孔板入口直角锐利度超出标准规定；②管径尺寸与计算不符；③孔板厚度误差；④节流件附件产生台阶、偏心；⑤孔板上游端面平度；⑥环室尺寸产生台阶、偏心；⑦取压位置；⑧焊接、焊缝突出；⑨取压孔加工不规范或堵塞；⑩节流件不同轴度。
（2）安装误差
管线布置的偏离，管线布置的偏离造成的安装误差是普遍性的，其产生的主要原因是现场不能满足直管段要求的长度。
（3）使用误差
①孔板弯曲(变形) ；②上游测量管沉积脏物；③上游端面沉积脏物；④孔板入口直角边缘变钝、破损；⑤雷诺数范围不符合标准规定；⑥管道粗糙度影响（管道粗糙度增加、管道粗糙度变化）。