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基于孔板流量计计量误差分析与改进
发布时间:2021-3-2 08:16:34

摘要:孔板流量计设计技术成熟、结构简单，是石油化工等工业领域测量流体流量的主要设备。针对孔板流量计长期使用过程中测量误差增大、精度下降问题，基于孔板流量计的工作原理，分析了直径比β、流出系数C、可压缩流体密度ρ1等物理参数变化以及导压管差压Δp传送失真等对测量精度的影响。在此基础上，提出了对孔板进行合理设计与选材，降低孔板腐蚀率;对孔板进行正确安装，保证孔板前后压差的可靠性;直管段规范安装，并在检修期间严格清理孔板和直管段以降低直径比β以及流出系数C的变化对测量结果的影响;采用智能仪表，实施温压补偿，对计量过程中参数进行在线计算和校等多种改进措施，力求达到降低误差、提高计量结果正确的目的。
0引言
　　计量误差指计量结果与真值的偏离程度，计量结果越接近真值，其正确率越高。以节流装置为检测元件的差压式流量计，用于气体、液体和蒸汽的流量测量，被广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域，实现对生产过程的监控以及能源的计量。其主要原因是该差压式流量计具有相对简单的结构、成熟的设计技术、较低的生产成本和稳定、可靠的性能等特点。但是在流量计的使用过程中，由于各种因素(如孔板腐蚀磨损、测量范围度较窄、现场安装的要求不达标、引压管线维护不到位等)，会造成一系列计量误差，使测量精度下降。如何正确设计、安装、维护流量计，减小计量误差，提高计量精度，是每一个流量计量工作者的工作重点［1-3］。
　　差压式流量计由检测元件、差压变送器以及流量显示仪表组成。检测元件有多种，如节流孔板、喷嘴和文丘里管等。其中，节流孔板以加工方便、稳定性好等优点，应用较为普遍。
1孔板流量计工作原理
　　节流装置测量原理如图1所示。流体流经孔板时，由于孔板孔径小于管径，会造成流束的急剧收缩，流速增加，动能的增大来自压力能的减小。流体流过孔板后压力降低，孔板前后压力不相等，产生压差。
孔板流量节流装置测量原理图示
　　根据流体流动连续性原理和伯努利方程(能量守恒定律)可知［4］，节流式差压流量计可压缩流体流量计算公式为:

　　式中:qv为单位体积流量，m3/s;C为流出系数;d为工作条件下节流孔板开孔直径，m;β为孔板开孔直径与管道内径之比;Δp为节流孔板前后差压，Pa;ε、ρ1分别为节流孔板正端取压口平面上的可膨胀系数和流体密度，kg/m3。
　　由式(1)可知，体积流量qv与流体流经孔板前后的差压Δp的平方根成正比。差压Δp通过差压变送器测量。变送器将流体流经孔板前后的差压信号转变为与之相对应的电信号并输出至流量仪表，从而由流量仪表根据测量参数计算出流体标准状态下的瞬时流量或累计流量。
2造成误差的原因分析及影响参数
　　由式(1)可知，流量测量结果qv同时受很多参数的影响，如流出系数C、节流装置直径比β、雷诺系数ＲeD、气体膨胀系数ε以及节流孔板正端取压口平面上流体密度ρ1等。如果能够得到这些参数的准确值，同时差压变送器能够不失真地测量到节流孔板前后的差压信号，就能提高流量仪表计量结果的正确率和可靠性。
2．1节流装置直径比β、流出系数C
　　流出系数C和取压点位置、雷诺系数、管道粗糙度、孔板开孔截面积与管道截面积比值、孔板入口边缘尖锐度都有关。流出系数C可由式(2)计算［4］。

　　由式(2)可知，如果节流装置前管道直径发生变化，节流孔板在使用过程中腐蚀变形，直径比β变化很大，都会使流出系数C发生变化，从而降低流量测量精度。
　　以动能公司空压站空压机出口流量计为例，空压机大修期间，技术人员对空压站出口节流装置前管道进行了检查，发现孔板前管道内积存大量受腐蚀而掉落的氧化铁皮垃圾，孔板端面腐蚀。齿轮分厂煤气流量计长年使用，拆换煤气流量节流孔板时发现，孔板孔壁和端面上沾附黑色焦泥，孔板开孔已经近似椭圆形。这些因素的存在都会使孔板直径与管道直径之比β改变，致使流出系数C改变，从而降低流量示值精度。
2．2密度ρ1和流量仪表积算功能的影响
　　气体流量测量的最终目标是得到标准状态下的体积流量。如果气体的温度、压力发生变化，密度也随之变化�？装蹇字本渡杓萍扑悖猿Ｓ霉ぷ魑露�、工作压力为主要参数指标。但待测气体的工作温度、压力不是恒定值，随着工况、环境温度的变化而变化。传统的流量计量中，由于流量积算功能的限制，使用过程中未装温度、压力仪表进行测量补偿。当管道内气体温度、压力变化较大与设计值不符时，计量误差加大。例如，空压站出口空气流量计量过程中，同一台机组冬、夏两季产气量相差较大。经查，夏季气体温度40°左右，冬季10°左右，孔板设计温度25°左右。由于实际温度与设计温度存在偏差，由实际工作条件偏离设计工作条件时流量修正公式(3)，可推导出冬季实际流量为流量计测量流量值的1．026倍，夏季实际流量为流量计测量流量的0．976倍，计量的正确率不能保证。

　　式中:Q实为实际工作条件时气体标准体积流量;Q设为设计条件时气体标准体积流量;P实为气体实际工作表压;P设为设计表压;P0为当地大气压;T实为气体实际工作温度;T设为设计温度;T0为绝对温度273．15K［5］。
2．3差压Δp的测量
　　在传输环节，流体流过节流装置产生的差压信号需要通过导压管路传递给差压变送器。导压管内径过小、节流装置距离变送器过远都会引起压损增大，从而造成差压信号失真。另外，如果导压管路存在堵塞、泄漏以及因积水、积液造成的假差压，同样会引起差压信号传递失真。导压管安装时，如果没有充分考虑流体介质的性质，气体导压管内是否含液、含尘，液体导压管内是否有气体进入，以及要排除这些干扰因素，集气器、积水沉降器的位置是否合理，是否需要伴热等，由此引起的假差压会使流量计量结果失真。
2．4流量量程与流量计匹配性问题
　　流量量程与流量计匹配性也是造成差压式流量计误差的主要原因之一，特别是当小流量遇到大量程孔板流量计时。由式(1)可知，由于流量与差压信号的开方成正比，并且使用流量下限偏离常用流量越多，流量计量误差值越大，对计量结果争议越大。小信号时，为了防止因零点漂移，通常流量计算器进行小信号切除。但这样又会使流量不能得到积算。例如，在进行管道氧流量计量巡检时，有小流量氧气在使用，但流量计无指示现象。
3减小计量误差提高计量精度的相应措施
3．1孔板的合理设计、选材
　　节流孔板的设计以现场调研为主，取得流体常用的工作压力、工作温度，对直管段内径进行实际测量，掌握设计第一手资料，并严格按照设计标准计算节流孔板的开孔直径，孔径的制造质量和加工精度达标。在按照合理的工况设计孔板尺寸的同时，应充分考虑流体对节流孔板材料的影响，选择适当的材料加工孔板，以免孔板在使用过程中发生腐蚀和塑性变形严重。如，煤气具有腐蚀性，齿轮分厂煤气流量计量装置，停产检修过程中，打开装置卸下孔板后，发现孔板开孔严重变形，近似椭圆形，端面麻蚀。因此，测量有腐蚀性流体时，应采用耐腐蚀材料�？装辶髁考瞥Ｓ貌牧涎≡袢绫�1所示［6-7］。
孔板流量计常用材料选择图表
3．2孔板的正确安装
　　孔板加工技术指标达标，并确�？装宓恼钒沧�。节流孔板安装示意图如图2所示�？装蹇子肷嫌味嗣嬷浼薪怯ξ�90°±0．3°，直角入口边缘锐利度达标，此端面迎着流体流动的方向［7］。若孔板装反，使流体流经孔板流速的变化减小，孔板前后差压减小，测量误差增大。

3．3直管段、导压管的安装维护
　　节流装置前后直管段满足安装要求，节流装置直管段长度以前10倍直径、后5倍直径的原则实施敷设，直管段管壁粗糙度应符合标准要求，否则将影响流出系数;管壁粗糙度越大，流出系数的偏差越大。安装时，根据需要处理节流装置及直管段。如:氧气流量测量需要进行节流装置和前后直管段的四氯化碳脱油处理。设备停车检修检查孔板的同时，还需要对节流装置前后直管段进行吹扫清理，排除管道氧化物、焊渣、油垢之类改变管道内径的异物，情况严重或条件允许时可进行更换，尽可能减小直径比β以及流出系数C的变化，提高流量计量的精度。
　　选择导压管的材料性能以满足被测流体的性质为基础，如耐腐蚀、耐压力等。导压管的敷设倾斜度不得小于规定要求。测量湿气体时，无论节流装置安装在水平管道还是竖直管道上，变送器安装在节流装置的下部时，都需要考虑在导压管路的最底部安装积水罐，避免液体进入变送器，引起测量误差。
3．4温度压力补偿
　　由于工作温度、压力随工况变化，气体的密度也发生变化，而节流孔板的设计参数是固定值。为了降低计量误差，采用具有温压补偿功能的流量积算仪表，实施温压补偿，进行流量值的实时修正。为了避免对流体流动的干扰，测温点一般选在节流装置的下游、直管段以外、大于5倍直径长度小于15倍直径长度的管道上，从而既不影响流出系数，又能够反映流体的温度。测压信号取自孔板流量计正压管［8］。
3．5智能仪表的使用
　　随着电子科技的发展，仪表技术发展飞速，充分利用智能流量仪表所具有的微处理功能，实现对流量各参数的在线计算和校正。智能流量仪表能够实现温度压力补偿、流束膨胀系数补偿，提高计量结果的准确度。当孔板开孔直径实测值与设计值有偏离时，由于β值变化以及流出系数C的变化，使最大差压对应的最大流量值变化，智能流量仪表的功能足够满足量程的修改，从而提高流量测量的精度。智能流量仪表还实现了两台差压变送器的自动切换使用，从而拓宽了量程范围，解决了小流量计量问题［9］。
3．6实时的维护与保养
　　日常维护的重点不仅要及时观察工况、与各项参数核对、定时校验流量计，还要维护节流装置和与差压变送器连接的引压管线，避免差压信号泄露、堵塞、冻结以及传输过程中压力损失。当环境温度变化较大时，应加强维护。制氧机喷冷塔出口空气为清洁湿空气，差压变送器在管道下部，导压管路安装集水器，但冬季容易出现流量指示失灵现象。出现这一现象的主要原因是压空水分析出增多，积满积水罐，又没有及时排水，伴热管没有及时打开，造成积水罐结冰，堵住出口，流量示值异常。故日常定时维护、重点维护、周期校验都是计量工作的重点。
3．7计量技术管理人员的培训
　　计量人员如果对流量计量仪表的计量原理、安标准、使用维护、精准校验等各个环节认识不到位，不能弄清产生误差的具体影响因素，就不能把计量工作做好。所以，只有提高计量人员管理、维护仪表的业务素质、业务技能，才能善于发现问题、及时解决问题，尽可能减小计量误差，从而进一步提高计量精度。
4结论
　　综上所述，孔板流量计虽然结构较简单、设计技术成熟，但长期使用过程中存在大量影响测量精度的因素。如果各环节在设计、安装时严格按照标准执行，使用精度高功能强的智能仪器，对计量影响因素进行实时修正，使用过程中加强管理，定时维护校验，就能够降低测量误差，提高计量结果的可靠性。

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