淺析氣體超聲流量計(jì)與孔板流量計(jì)的性能比較

夏壽華

(中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院，成都 610213)

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淺析氣體超聲流量計(jì)與孔板流量計(jì)的性能比較

夏壽華

(中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院，成都 610213)

氣體超聲流量計(jì)作為一種新型的測(cè)量?jī)x表，已經(jīng)在氣體的貿(mào)易交接計(jì)量中得到越來(lái)越多的應(yīng)用,尤其在天然氣的貿(mào)易交接計(jì)量中，氣體超聲流量計(jì)取得更快的發(fā)展，越來(lái)越多的用戶都開始以氣體超聲流量計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的孔板流量計(jì)作為天然氣貿(mào)易交接的計(jì)量?jī)x表。它是當(dāng)前國(guó)際上繼孔板、渦輪之后又一引人注目的新一代的以高壓、大流量、寬量程、抗干擾能力強(qiáng)等為顯著特點(diǎn)的新型流量計(jì)。本文就氣體超聲流量計(jì)與孔板流量計(jì)的技術(shù)性能、現(xiàn)場(chǎng)安裝、使用、費(fèi)用等方面進(jìn)行了分析和對(duì)比。

氣體超聲流量計(jì)；孔板流量計(jì)；性能比較

0 引言

過(guò)去天然氣貿(mào)易交接一直用孔板流量計(jì)作為貿(mào)易交接計(jì)量?jī)x表，但是近年來(lái)，隨著氣體超聲流量計(jì)的出現(xiàn)，在中國(guó)目前大約有3000多臺(tái)超聲波流量計(jì)投入使用，并且原有的已經(jīng)使用孔板流量計(jì)的貿(mào)易交接場(chǎng)合也在逐步改造，用超聲波流量計(jì)代替孔板流量計(jì)。我國(guó)的超聲波流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)天然氣流量》，于2002年8月1日開始實(shí)施。在國(guó)外，氣體超聲波流量計(jì)已經(jīng)有近20年的使用歷史，積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，并且還頒布了AGA N09的正式報(bào)告，為氣體超聲流量計(jì)的大面積推廣使用提供了有力的保障。

從近10年氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐證明，無(wú)論從計(jì)量精度上還是維護(hù)費(fèi)用、日常操作上，氣體超聲流量計(jì)比孔板流量計(jì)都有很大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)某公司原來(lái)使用的計(jì)量?jī)x表是孔板流量計(jì)，在新建站上使用氣體超聲流量計(jì)代替了孔板流量計(jì)，經(jīng)過(guò)使用后，用戶認(rèn)為使用超氣體超聲流量計(jì)比使用孔板流量計(jì)，不但計(jì)量精度有了大幅度的提高，而且維修及維護(hù)費(fèi)用大幅降低。越來(lái)越多的事實(shí)證明氣體超聲流量計(jì)已經(jīng)被流量界所認(rèn)可，并已經(jīng)開始逐步取代孔板流量計(jì)，成為天然氣計(jì)量?jī)x表的首選。本文就氣體超聲流量計(jì)和孔板流量計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比，主要有性能特性、現(xiàn)場(chǎng)安裝、使用、費(fèi)用評(píng)估等4個(gè)方面。

1 性能特性比較

1.1 量程比

孔板流量計(jì)是通過(guò)節(jié)流件來(lái)完成測(cè)量的，所以其量程比通常只有3(5):1(差壓?jiǎn)瘟砍?；10:1(差壓雙量程)，而氣體超聲流量計(jì)沒有任何阻流件，其量程比可達(dá)到:30:1甚至100:1。這兩個(gè)數(shù)據(jù)表明，若實(shí)現(xiàn)一種測(cè)量方案，假定其流量范圍是1～8000m3/h，那么使用氣體超聲流量計(jì)用一路工藝管線就可以實(shí)現(xiàn)，而采用孔板流量計(jì)就可能需要至少8路才可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。

1.2 壓損

由于孔板流量計(jì)通過(guò)在管道內(nèi)嵌入孔板而產(chǎn)生差壓信號(hào)，而超聲波流量計(jì)在管道內(nèi)沒有阻流件，顯而易見，孔板流量計(jì)相比超聲流量計(jì)的壓損很大，而超聲波流量計(jì)幾乎沒有壓損。

1.3 準(zhǔn)確度

孔板流量計(jì)的準(zhǔn)確度理論上可達(dá)到1%，但是通過(guò)大量的實(shí)踐證明，由于孔板流量計(jì)抗干擾能力較差，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確度最好為2%，一般的情況下為3%。氣體超聲流量計(jì)由于它的抗干擾能力較強(qiáng)，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.5%或更高。

1.4 脈動(dòng)流影響

由于孔板流量計(jì)是靠測(cè)量孔板前后的差壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，脈動(dòng)流會(huì)使孔板前后的差壓信號(hào)不準(zhǔn)，所以在管道中的脈動(dòng)流對(duì)孔板流量計(jì)會(huì)有一定的影響。而氣體超聲流量計(jì)只要脈動(dòng)流的周期大于流量計(jì)的采樣周期，就不會(huì)受影響。

1.5 雙向流測(cè)量

孔板流量計(jì)依據(jù)一個(gè)節(jié)流元件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，而這個(gè)節(jié)流元件具有嚴(yán)格的方向性，因此孔板流量計(jì)不可以測(cè)雙向流。氣體超聲流量計(jì)只與聲波在流體中的傳播時(shí)間有關(guān)，因此它可以測(cè)雙向流。

1.6 濕氣體測(cè)量

孔板流量計(jì)不可以測(cè)濕氣體，如果被測(cè)氣體是濕氣體，那么在孔板的前端容易積液，使得上下游壓差產(chǎn)生變化，而孔板正是根據(jù)上下游的壓差來(lái)測(cè)量流量的，因此如果壓差產(chǎn)生變化，則不可能準(zhǔn)確測(cè)量氣體的流量。氣體超聲流量計(jì)具有自檢測(cè)功能，如果氣體是濕氣體，對(duì)超聲波產(chǎn)生影響時(shí)，儀表本身可以修正，因此氣體超聲流量計(jì)可以測(cè)濕氣體。

1.7 管路清洗

孔板流量計(jì)中有阻流件，清洗球無(wú)法通過(guò)，因此孔板流量計(jì)安裝在管線上時(shí)無(wú)法清洗管路，只有拆除孔板，才可能進(jìn)行清洗。氣體超聲流量計(jì)沒有任何阻流件，清洗球可以通過(guò)，因此可以在不拆除流量計(jì)的情況下清洗管路。

1.8 渦流影響

孔板流量計(jì)采用差壓法測(cè)量氣體流量，渦流直接影響孔板兩端的壓差，因此孔板流量計(jì)對(duì)渦流很敏感，要求有較長(zhǎng)的直管段，才能滿足精度的要求。超聲波流量計(jì)因?yàn)楸旧砭哂蟹治鰷u流強(qiáng)度的功能，如INSTROMET、FMC公司的多聲道氣體超聲波流量計(jì)，對(duì)渦流的分析更加完全，因此通過(guò)技術(shù)手段可以消除渦流的影響。

1.9 流速分布影響

孔板流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)原理的限制，要求測(cè)量時(shí)流速分布對(duì)稱，但是氣體在管路中的流動(dòng)，其流速分布是不對(duì)稱的，因此孔板流量計(jì)對(duì)流速分布不對(duì)稱非常敏感，同樣要求有較長(zhǎng)的直管段。超聲波流量計(jì)可以修正速度分布不對(duì)稱。

2 現(xiàn)場(chǎng)安裝比較

2.1 直管段的要求

孔板流量計(jì)要求現(xiàn)場(chǎng)有較長(zhǎng)的直管段，并且對(duì)直管段的加工精度有較高的要求。GB/T 21446對(duì)孔板流量計(jì)的上游直管段做了更高的要求，孔板典型配置的直管段上游至少30D,并加裝流動(dòng)調(diào)整器，下游直管段配置為7D。氣體超聲波流量計(jì)由于對(duì)渦流及速度分布不敏感， GB/T 18604—2001要求典型的氣體超聲波流量計(jì)上游直管段為10D、下游為5D，并且對(duì)直管段的加工精度要求不如對(duì)孔板流量計(jì)的直管段加工精度高。

2.2 安裝的影響

對(duì)于孔板流量計(jì)而言，安裝的條件直接影響其計(jì)量精度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的同心度等要求很高，安裝較復(fù)雜。氣體超聲流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的要求不高，法蘭連接，按流量計(jì)本體的流向標(biāo)識(shí)進(jìn)行安裝即可。

2.3 使用條件

由于孔板流量計(jì)的原理決定其現(xiàn)場(chǎng)使用條件必須與設(shè)計(jì)條件相符，壓力流量的適應(yīng)性差，管道內(nèi)的壓力突變可能會(huì)造成節(jié)流件或二次儀表的損壞，流量可過(guò)載至孔板上的允許壓差。氣體超聲波流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性極強(qiáng)，對(duì)流量的波動(dòng)不敏感，有較強(qiáng)的短時(shí)間的過(guò)載能力，但是壓力突變可能會(huì)造成超聲換能器損壞。

3 長(zhǎng)期使用比較

3.1 準(zhǔn)確度變化

孔板流量計(jì)由于長(zhǎng)期使用，孔板入口邊緣磨損以及孔板彎曲變形都會(huì)降低準(zhǔn)確度。氣體超聲流量計(jì)由于無(wú)磨損，無(wú)示值飄移，可以長(zhǎng)期保持較高的準(zhǔn)確度。

3.2 臟污影響

要加強(qiáng)地方文獻(xiàn)資源收集以及地方特色數(shù)字化資源建設(shè)，增加學(xué)科館員參考咨詢工作，有針對(duì)性為讀者提供專業(yè)幫助。

由于孔板流量計(jì)有節(jié)流件，長(zhǎng)期使用時(shí)，臟物將堆積在孔板的上游，造成差壓信號(hào)不準(zhǔn)，直接影響計(jì)量精度。氣體超聲流量計(jì)為中空管段，探頭在管道內(nèi)部，臟物不易堆積，只是時(shí)間長(zhǎng)久因?yàn)樘筋^臟物會(huì)影響計(jì)量準(zhǔn)確度。

3.3 故障排除

由于孔板流量計(jì)的儀表特性取決于節(jié)流件的幾何形狀和尺寸，需要經(jīng)常檢查節(jié)流件，一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換，節(jié)流件的壽命取決于氣體流量及壓力的大小。氣體超聲流量計(jì)儀表本身具有很強(qiáng)的自診斷功能，一旦不在正常狀態(tài)就會(huì)報(bào)警，并自動(dòng)記錄報(bào)警期間的數(shù)據(jù)，超聲探頭的使用壽命一般為8年，并可在線更換。

3.4 備件

孔板流量計(jì)由于節(jié)流件經(jīng)常磨損、變形，因此需備多套節(jié)流件。氣體超聲流量計(jì)只需備一套探頭，可替換使用。

3.5 日常維護(hù)

孔板流量計(jì)需要定期清洗孔板，并檢查節(jié)流件的幾何尺寸等參數(shù)。氣體超聲流量計(jì)則可免維護(hù)，自檢功能強(qiáng)大。

孔板流量計(jì)的檢定周期為一年。氣體超聲流量計(jì)的檢定周期為2年，在現(xiàn)場(chǎng)投入使用后進(jìn)行使用中檢驗(yàn)，也可以延長(zhǎng)為6年。

4 費(fèi)用比較

4.1 一次性投資費(fèi)用

由于氣體超聲波流量計(jì)有量程比寬的特點(diǎn)，相對(duì)于孔板流量計(jì)在大管徑大流量的分輸站、門站或雙向計(jì)量中可以簡(jiǎn)化工藝管路，調(diào)壓設(shè)備、閥門等都相應(yīng)減少，大大節(jié)省了投資。

另外，由于氣體超聲流量計(jì)所要求的直管段是前10D后5D，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于孔板流量計(jì)的前30D后7D，因此占地面積大大減少。我國(guó)某站設(shè)計(jì)時(shí)，按不同的方案設(shè)計(jì)估算了投資，結(jié)論是采用氣體超聲流量計(jì)比采用孔板流量計(jì)投資節(jié)省約25%左右。

4.2 長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用

流量計(jì)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，大概有以下幾方面的費(fèi)用：設(shè)備維護(hù)費(fèi)、標(biāo)定費(fèi)用、修理費(fèi)以及人工費(fèi)用等。

1)設(shè)備維護(hù)費(fèi)

氣體超聲流量計(jì)的設(shè)備維護(hù)費(fèi)遠(yuǎn)低于孔板流量計(jì)的設(shè)備維護(hù)費(fèi)。

2)標(biāo)定費(fèi)用

由于氣體超聲流量計(jì)的強(qiáng)檢周期比孔板流量計(jì)的強(qiáng)檢周期短，因此標(biāo)定費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于孔板流量計(jì)的標(biāo)定費(fèi)用。另外，孔板流量計(jì)僅為校準(zhǔn)差壓變送器每年就花費(fèi)相對(duì)較多，在加上孔板流量計(jì)需配密度計(jì)，每年一次校準(zhǔn)密度計(jì)也要增加標(biāo)定費(fèi)用。

3)修理費(fèi)

由于孔板流量計(jì)需要經(jīng)常更換節(jié)流件，而氣體超聲流量計(jì)一般沒有可更換部件，但是一旦超聲探頭故障，必須請(qǐng)廠家專業(yè)人士進(jìn)行更換。因此修理費(fèi)用超聲波流量計(jì)比孔板流量計(jì)要大得多。

4)人工費(fèi)用

孔板流量計(jì)需要維護(hù)、切換以及經(jīng)常校準(zhǔn)溫度、壓力、差壓變送器等操作，人工費(fèi)用較多。而氣體超聲波流量計(jì)可以做到無(wú)人職守，不需維護(hù)，因此氣體超聲流量計(jì)的人工費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于孔板流量計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)然，氣體超聲流量計(jì)也有一些缺點(diǎn)，如安裝在一些閥門附近時(shí)，特別是安裝在閥門的下游時(shí)，當(dāng)氣流速度很高時(shí)，閥門兩端有較大的壓降，一些閥門及一些所謂的低噪聲閥會(huì)產(chǎn)生大量的超聲噪音，超聲信號(hào)可能被超聲噪音所淹沒而無(wú)法分辨，氣體超聲流量計(jì)無(wú)法正常工作。另外，由于CO2會(huì)使超聲波信號(hào)衰減，因此不宜用于CO2濃度過(guò)高的混和物等。

隨著電子技術(shù)和計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，氣體超聲流量計(jì)上述技術(shù)缺點(diǎn)也會(huì)逐漸的解決。氣體超聲流量計(jì)無(wú)論在技術(shù)性能還是運(yùn)行費(fèi)用等方面相比孔板流量計(jì)都具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，盡管在實(shí)際的應(yīng)用中還將存在一些問題，但有理由相信隨著技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)的不斷累積，這種新型的儀表一定會(huì)應(yīng)用的更好。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.26