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    孔板流量計在輸氣管網小流量計量控製方麵具有理論和實踐的可行性

    作者: 來源: 發布時間:2018-04-24 10:18:43

    [摘要]:民用天然氣小流量計量,既要流量計選型準確,滿足民用氣用氣壓力、流量的要求,又要防止下遊私開口造成漏計的隱患。基於民用氣計量的特點以及管理難度,本文著重介紹了孔板流量計的工作原理、計算方法等,同時分析了孔板流量計在民用氣計量應用的可行性。

      民用天然氣有其自身的用氣特點,如用氣量較小,但日間波動較大,用氣壓力較低等,故民用氣計量多選用量程比寬安裝方便的智能流量計進行計量。另一方麵,因智能流量計在超量程後計量值失真(計量偏小)且多安裝在閥室等無人值守點,亦存在下遊私自開口隱患。如何在選定流量計口徑後,在無人值守情況下防止下遊用戶流量超過儀表量程範圍且能滿足下遊用戶供氣壓力的問題,一般采用調壓閥降壓,采用數據遠傳來監控氣量變化,這不僅提高了經濟成本,也增加了工作強度。若采用孔板流量計,即一定工況條件下,在流量計下遊安裝孔板流量計,可以達到降壓和限流的雙重目的。
     
    1、孔板流量計的設置:
     孔板流量計是非標孔板的一種,既可以作為流量測量元件用來測量流量,也可作為節流元件用於限定流量和降低壓力。
     
    1.1、工作原理:
     在圓形截麵管安裝一塊端麵與管軸線相垂直並帶有圓形穿孔的薄板,當天然氣流過圓孔時,產生的壓差與流量成正比,但當壓差超過某一數值(稱為臨界壓差)時,其流速達到音速,此時,無論壓差如何增加,流經孔板的流量(質量流量)將維持在一定數值而不再增加。孔板流量計就是根據這一原理來限定流體的流量和降低壓力的。

    1.2、工藝計算:
      孔板流量計可按開孔數分為多孔板和單孔板,按板數分為單板和多板。根據SLDI 233A25-98
    《管路孔板流量計設置》的規定:管道公稱直徑小於或等於150 mm的管路,通常采用單孔孔板。我處民用氣計量均屬此範圍,故僅對單孔單板的孔板流量計進行分析。
     
    1.2.1、理論基礎:
     氣體的質量流量公式為m=ρ•u•A,其中ρ表示氣體密度,u表示氣體速度,A表示孔板流量計圓孔直徑。根據工程流體力學相關知識,用滯止溫度T0、滯止壓強P0及速度係數λ來表示ρ和u,則:

    計算公式

      根據氣體動力學函數隨速度係數的變化規律(見圖1),可知λ=1時,q(λ)=1,為zui大,此時馬赫數M=1,氣體為音速流;又根據工程流體力學中對拉瓦爾噴管管道截麵麵積變化與馬赫數的關係(見圖2),可知氣流的壓強、密度的變化隻取決於馬赫數M,即氣流密度的下降與速度的增加相互抵消[1]。故當氣流速度為音速時,其流量達到zui大值mmax。

    變化規律圖
     

    1.2.2、計算方法:
     在HG/T 20570.15-1995《管路孔板流量計的設置》中,給出了孔板流量計在氣體中的計算公式:W = 4 3 . 7 8 • C • d 0 2 • P 1 •

    計算公式1

      式中:W -流體的質量流量,kg/h;C -孔板的流量係數,(可查取);d0 -孔板孔徑,m;P1-孔板前壓力,Pa;P2 -孔板後壓力或臨界限流壓力,取大值,Pa;M -分子量;Z -壓縮係數,(可查取);T -孔板前流體溫度,K;K -絕熱係數。
     由上式可知,通過需要得到的流量、氣體物性以及孔板前後的壓力、溫度等條件,可確定孔板流量計的孔徑。反之,也可根據其他條件來確定孔板流量計後的壓力。
     需注意的是,要使氣體流量限定在某一要求的數值,必須滿足P2/P1≤γc(臨界流率壓力比)=

    計算公式2

    ,其γc既可查取也可計算。否則,計算的d0無效,需改變壓強和管道管徑重新計算合格為止。當滿足要求時,氣體屬於臨界流動,W僅與P1有關。
     
    HG/T 20570.15-1995未給出絕熱係數K的計算公式,其可由下式計算[2]:

    計算公式3

      式中:K -混合氣體(共n個組分)的絕熱係數;Cpi -i組分的定壓比熱容,kJ/(kg•k);Mi -i組分的摩爾質量,kg/kmol;Xi -i組分的體積分數;Ki -i組分的絕熱係數。
    也可用下麵的經驗公式計算K值[3]:

    經驗公式計算K值


    式中符號含義同上式。
     比較這兩個絕熱係數計算公式,後式未涉及定壓比熱容和摩爾質量,計算相對簡單。經相關論證,其計算誤差在0.1%。
     
    2、結論:
     在選定適合當前工況條件的智能流量計後,為防止下遊用氣量增大致使超流量計範圍而漏計少計的隱患,可在流量計下遊直管段外加裝孔板流量計。通過計算,選用適合孔徑的孔板流量計,不僅可限定流量(減少無人值守點瞬時超高限流量,防下遊私開口等隱患),也可降低下遊的壓力(孔板後壓力不小於孔板前壓力的55%,否則應設置多板),因此在輸氣管網小流量計量控製方麵具有理論和實踐的可行性。

    上一篇:孔板流量計在普光氣田的使用情況與計量問題分析
    下一篇:標準孔板流量計的簡單分析和安裝注意事項

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