探究天然氣流量計測量中溫壓補償測點(diǎn)的設計

摘要：針對流量計在測量氣體和蒸汽流量時(shí)需對溫度、壓力補償的問(wèn)題，根據各流量計的測量原理不同，選擇合適的測溫點(diǎn)和測壓點(diǎn)位置對測量的準確性至關(guān)重要。分析了幾種流量計溫度、壓力補償的目的以及溫度、壓力參數的測量要求，提出了測溫口、測壓口開(kāi)口位置的合理選擇。提供了利用焦耳－湯姆遜系數計算上下游溫差的實(shí)例。
不同原理的流量計，流體溫度和壓力的變化對測量結果的影響各不相同，因此在測得流體的溫度和壓力后，要按規定的關(guān)系式進(jìn)行補償。流體在管道內流動(dòng)，由于流量傳感器、各種阻流件的影響，在管道的不同部位測得的溫度和壓力值也會(huì )有很大差異，因此用作流量測量溫度壓力補償的測量點(diǎn)的位置也有明確規定，不能隨意確定。
下面以幾種典型流量計為例，論述流量測量中溫度壓力檢測點(diǎn)設計中的有關(guān)問(wèn)題。
１天然氣流量計溫度壓力測點(diǎn)的設計
１．１天然氣流量計工作原理
在流體流動(dòng)的管道中設置１個(gè)旋渦發(fā)生體（阻流件），于是在發(fā)生體下游就會(huì )交替地產(chǎn)生有規則的旋渦，這種旋渦稱(chēng)為卡曼渦街，該旋渦的頻率與流過(guò)發(fā)生體的流速成正比關(guān)系。由于旋渦流量傳感器的流通截面積是１個(gè)常數，因此旋渦的頻率與流過(guò)發(fā)生體的流體體積流量成正比，如式（１）所示：

式中：ｑＶｆ--旋渦發(fā)生體出口的工況體積流量，ｍ３／ｈ；ｆ--旋渦頻率，Ｐ／ｓ；Ｋｔ--工作狀態(tài)下流量系數，１／ｍ３。
１．２溫度壓力補償的目的
１．２．１氣體流量測量的溫度壓力補償
在氣體流量測量中，測得工作狀態(tài)體積流量不是*終目的，得到標準狀態(tài)體積流量才是*終目標。由工作狀態(tài)體積流量到標準狀態(tài)體積流量的換算，一般在流量演算器中完成，其依據如式（２）：

式中：ｑＶｆ--工況條件下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｑＶｎ--標準狀態(tài)體積流量，ｍ３／ｈ；ｐｆ，ｐｎ--工作狀態(tài)、標準狀態(tài)流體絕對靜壓，ＭＰａ，ｐｎ＝０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ，Ｔｎ--工況條件下、標準狀態(tài)流體熱力學(xué)溫度，Ｋ，Ｔｎ＝２９３．１５Ｋ；Ｚｆ，Ｚｎ--工況條件下、標準狀態(tài)氣體壓縮系數。
在式（２）中，Ｚｆ和Ｚｎ一般由流量演算器按設計好的程序自動(dòng)計算得到，ｑＶｆ由式（１）計算得到，而ｐｆ和Ｔｆ則必須經(jīng)實(shí)測得到。
１．２．２蒸汽流量測量的溫度壓力補償
在蒸汽流量測量中，雖然也有溫度壓力補償，但補償的意義與式（２）完全不同。用天然氣流量計測量蒸汽流量的系統中，測量的目的是得到蒸汽質(zhì)量流量值，如式（３）所示：

式中：ｑｍ--質(zhì)量流量，ｋｇ／ｈ；ρｆ--工況條件下的旋渦發(fā)生體出口蒸汽密度，ｋｇ／ｍ３，可通過(guò)查蒸汽密度表得到。１）對于過(guò)熱蒸汽，可由流量演算器按式（４）自動(dòng)查蒸汽密度表得到：ρｆ＝ｆ（ｐｆ，ｔｆ）（４）式中：ｔｆ--工況條件下的蒸汽溫度，℃。
２）對于飽和蒸汽，可由流量演算器按式（５）和式（６）自動(dòng)查蒸汽密度表得到：
ρｆ＝ｆ（ｐｆ）（５）
ρｆ＝ｆ（ｔｆ）（６）
由于蒸汽的狀態(tài)隨溫度壓力參數而變化，因此有些蒸汽流量計安裝地點(diǎn)的蒸汽狀態(tài)難以確定，有時(shí)處于過(guò)熱狀態(tài)，有時(shí)處于飽和狀態(tài)。白天管道內流速高，處于過(guò)熱狀態(tài)；夜間管道內流速低，進(jìn)入飽和狀態(tài)。這時(shí)，應對其溫度壓力都進(jìn)行測量，由流量演算器自動(dòng)判斷，如果處于過(guò)熱狀態(tài)，則儀表自動(dòng)轉向根據式（４）查過(guò)熱蒸汽密度表；如果已進(jìn)入飽和區間，則儀表自動(dòng)轉向按式（５）查飽和蒸汽密度表。
利用蒸汽的溫度壓力參數自動(dòng)判斷蒸汽處于過(guò)熱狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，原理如圖１所示。關(guān)鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線(xiàn)的下方還是上方，如果落在下方，則為過(guò)熱狀態(tài)；如果落在上方，則為飽和狀態(tài)。

在這種情況下，一般壓力測量精確度高，查表得到的密度值的精確度也比較高，因此通常采用式（５）求取密度，式（６）一般不采用。
１．３溫度壓力測量點(diǎn)位置的選取
氣體和蒸汽都是可壓縮流體，在流過(guò)渦街流量傳感器時(shí)，都會(huì )產(chǎn)生一定的壓降。因此，在管道上不同位置開(kāi)口測流體的絕對靜壓，得到的結果也不同。在旋渦發(fā)生體上游處，靜壓*高；在旋渦發(fā)生體流速*高處，靜壓*低，再往下游，靜壓會(huì )有少許恢復。
旋渦發(fā)生體前后的永久性壓降，橫河公司提供了計算公式如式（７）所示：△ｐ＝１．０８ρｆｖ２（７）式中：△ｐ--旋渦發(fā)生體前后壓降，Ｐａ；ｖ--介質(zhì)流速，ｍ／ｓ。
以橫河公司ＹＦ１００系列旋渦流量計為例，不同型號流量?jì)x用于溫度壓力補償的溫度壓力測量點(diǎn)的安裝位置有不同的要求。壓力測點(diǎn)到旋渦發(fā)生體的上限距離與下限距離有很大差異。從３．５Ｄ～５．５Ｄ到３．５Ｄ～７．５Ｄ，使設計人員犯難，因此研究該距離對儀表的準確安裝有重要意義。
仔細研究橫河渦街產(chǎn)品的發(fā)展歷史，在＊ＣＤ型儀表發(fā)展階段，天然氣流量計*小通徑只能做到ＤＮ２５，對于ＤＮ２５渦街產(chǎn)品，５．５Ｄ即為１３８ｍｍ，在法蘭下游的管道上開(kāi)取壓口，在工程上還是可行的。但到了＊Ｄ型儀表發(fā)展階段，*小通徑可達到ＤＮ１５，同樣是５．５Ｄ，但對應的尺寸變?yōu)椋福常恚?，要在如此短的距離上開(kāi)取壓口，需要放寬距離以滿(mǎn)足工程中的需求。無(wú)論哪種情況，實(shí)際上兩者本質(zhì)上是一致的。
２差壓流量計溫度壓力測點(diǎn)位置的設計
差壓式流量計的種類(lèi)很多，下面以使用*多的標準差壓式流量計為例，說(shuō)明溫度壓力測點(diǎn)位置的設計。
２．１差壓流量計工作原理
差壓流量計工作原理如式（８）所示：

式中：Ｃ--流出系數；β--直徑比，β＝ｄ／Ｄ；Ｄ--管道內徑，ｍ；ｄ--工作條件下節流件的開(kāi)孔直徑，ｍ；ε１--節流件正端取壓口平面上的可膨脹性系數；ρ１--節流件正端取壓口平面上的流體密度，ｋｇ／ｍ３。
差壓流量計的本質(zhì)是質(zhì)量流量計，在式（８）中，沒(méi)有出現溫度和壓力這兩個(gè)變量，但應用這種流量計測量氣體和蒸汽的流量時(shí)，流體溫度和壓力的變化，會(huì )使式中的密度ρ１產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響流量示值。
對于組分穩定的氣體，可用式（９）計算ρ１：

式中：ｐ１--節流件正端取壓口平面上的流體壓力，ＭＰａ；ｐｎ--氣體標準狀態(tài)壓力，取值為０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ１--節流件正端取壓口平面上的流體溫度，Ｋ；Ｚｆ１--工作狀態(tài)下氣體壓縮系數，純數；ρｎ--標準狀態(tài)流體密度，ｋｇ／ｍ３。
對蒸汽來(lái)說(shuō)，可用式（１０）由流量演算器自動(dòng)查表的方法得到ρ１：
ρ１＝ｆ（ｐ１，Ｔｆ１）（１０）
毫無(wú)疑問(wèn)，式（９）和式（１０）都表明，壓力取自正端取壓口，在具體實(shí)施時(shí)也比較方便，難的是正端取壓口處的流體溫度的測量。
文獻［６］和文獻［７］的相關(guān)內容規定：“流體溫度*好在一次裝置下游測量，測量時(shí)需特別小心。溫度計套管或插套所占空間應盡可能小，如果插套位于下游，其與一次裝置之間的距離至少應為５Ｄ，當流體是氣體時(shí)，*大為１５Ｄ。如果套管位于上游，則根據一次裝置的形式，采用規定的值”。
該標準還規定，一般可以假設差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。然而，如果流體是非理想流體，而又需要計量準確，且上游取壓口和一次裝置下游測溫處又存在較大的壓力損失，則假設兩點(diǎn)之間是等焓膨脹，必須根據下游溫度計算上游溫度。對于孔板計算時(shí)，應根據下式計算壓力損失△ω。
△ω＝（１－β１．９）△ｐ   （１１）
式中：△ω--一次裝置壓力損失，Ｐａ。
 然后，可以采用焦耳－湯姆遜系數μＪＴ（ＪｏｕｌｅＴｈｏｍｓｏｎＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）計算上游取壓口到下游測溫處的相應溫差△Ｔ：
△Ｔ＝μＪＴ△ω（１２）
在式（１１），（１２）中，式（１１）是經(jīng)常用的，使用并不難，而式（１２）使用的并不多，原因是μＪＴ求取有難度。
２．２μＪＴ的求取
ＩＳＯ５１６７．１-２００３的*３．３．４節定義，焦耳－湯姆遜系數又稱(chēng)等焓溫度-壓力系數，是等焓下相對于壓力的溫度變化速率：

式中：Ｔ--絕對（熱力學(xué)）溫度；ｐ--流經(jīng)管道的流體靜壓；Ｈ--焓；ＲＯ--通用氣體常數；Ｃｍ，ｐ--定壓摩爾比熱容；Ｚ--壓縮系數。
３ 渦輪流量計溫度壓力測點(diǎn)的設計
渦輪流量計用來(lái)測量氣體流量時(shí)，也需要進(jìn)行溫度壓力補償，以便將工作狀態(tài)下的體積流量換算到標準狀態(tài)體積流量。
該換算所依據的公式與式（２）相同，但是由于測量原理的不同，測壓點(diǎn)的位置有很大的差別。ＧＢ／Ｔ２１３９１-２００８《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》給出了渦輪流量計在管道上典型的安裝圖。同時(shí)在文字描述中規定，渦輪葉輪處的靜壓測壓口至少要有１個(gè)，孔徑范圍在３～１２ｍｍ。該標準同時(shí)規定，溫度傳感器應安裝在葉輪的下游端，其離葉輪的距離應小于５Ｄ，伸入管道公稱(chēng)通徑約３３％處，但長(cháng)度不能超過(guò)１５０ｍｍ。
４ 結束語(yǔ)
１）用來(lái)測量氣體和蒸汽流量的流量計，除了個(gè)別的流量計之外，都需進(jìn)行流體溫度、壓力補償。由于流體種類(lèi)的不同，補償的目的也不盡相同；由于溫度和壓力的變化，對不同原理流量計的影響不相同，因此測溫點(diǎn)和測壓點(diǎn)位置也有不同的要求，只有合理地確定這些位置，才有可能準確地補償。
２）天然氣流量計用于溫度壓力補償的測壓口，宜選在旋渦發(fā)生體下游的直管段上，應盡可能靠近流量計，但應便于施工和維修（不能選在旋渦體上游的直管段上）。測溫口應選在測壓口下游１５０～２００ｍｍ處。
３）差壓流量計用于溫度壓力補償的測壓點(diǎn)，應選在差壓正端取壓口處；測溫點(diǎn)一般選在差壓裝置下游５Ｄ～１５Ｄ處，并假設差壓口上游和下游的流體溫度是相同的。如果是非理想氣體，而又需要計量精準，且上游取壓口和差壓裝置下游測溫處又存在較大的壓力損失，則可采用焦耳－湯姆遜系數計算上游取壓口到下游溫口處的相應溫差△Ｔ。
４）基于絕熱膨脹等焓變化的原理，利用蒸汽性質(zhì)表，可方便地求取適用于蒸汽的焦耳－湯姆遜系數。
５）渦輪流量計用于溫度壓力補償的測壓點(diǎn)，宜設在渦輪葉輪前取壓口處；測溫口應選在葉輪下游段，離葉輪的距離應小于５Ｄ。

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