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 技术论文


孔板计量标准的新研究

黄 和
中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司. 四川 成都 610017)

表2 AGA No3 标准孔板(配管束型整流器)上下游直管段长度(以管径D倍数表示)

 β值  

单个90°弯头

 R/D=1.5

 

在不同平面上的两个90°弯头

 S ≤ 2D.

 R/D=1..5

单个90°三通 开度至少为50%的阀门 三通与90°弯头的组合 任何其他形式的管件及管路分布
 A 1   A2   A1   A2   A1   A2   A1   A2   A1   A2   A1   A2
  ≤0.20    5-

 14.5

 5-

 14.5

 5-25  5-

 14.5

 5-25  5-11  5-13  5-13  5-23  5-

 11.5

 5-13
  0.30  5-14

 5

 5-25  5-

 14.5

 5-25  5-

 14.5

 5-25  5-11  5-13  5-13  5-23  5-

 11.5

 5-13
  0.40  5-

 14.5

 5-25  5-

 14.5

 5-25  5-

 14.5

 5-25  5-11  5-13  5-13  5-23  5-

 11.5

 5-13
  0.50  11.5-

 14.5

 11.5-

 25

 9.5-

 14.5

 9-25  11-

13

 9-23  9.35  7.5-

 15

 11-13  9-

19.5

 9.5  11.5-

14.5

  0.06  12-13  12-25  13.5-

 14.5

 9-25  -  11-16  -  10-17   13  11-16  -  12-16
  0.67   13  13-16

 .5

 13-

14.5-

 10-16   -  11-13   -  10-13   -   11-13   -   13
  0.75   14 14-16

.5

 - 12-12

.5

 - 12-14  -  11-

 12.5

 -  14   -   -
推荐管束位置  13

β≤0.67  

 14-16

 5

β≤0.75

 13.5-

 14.5

β≤0.67

 12-

 12.5

β≤0.75

13

β≤0.54

12

13

β≤0.75

9.5

β≤0.47

 11-

 12.5

β≤0.75

 13

β≤0.54

 13

β≤0.72

 9.5

β≤0.46

13

β≤0.67

 注;表中A1和A2是整流器出口到孔板之间距离,其中A1是孔板上游管件与孔板之间的距离A为17D≤A≤29D时的数值,A2是孔板上游管件与孔板之间的距离A≥29D时的距离,下游直管段长度同表4。

  2、“-”是指对于所有A值,在该特定阻力件的下游不可能找到安装19管管束式整流器的一个合格位置。

 

表3:  ISO/CD 5167标准孔板(不配整流器)上下游直管段长度(以管径D的倍数表)

 β值                          上游直管段 下游直管段
   A

 

  B   C   D   E   F   G   H   I   J   K   L
  1

 

  2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14
 ≤

 0.20

 6(3)

 

 10

(10)

 10

(10)

 19

(18)

 34

(17)

 9(3)  **

(**)

 5(5)  16

(8)

 12

(6)

 30

(15)

 5(3)  4(2)
 0.40  16

(3)

 10

(10)

 10

(10)

 44

(18)

 50

(25)

 9(3)  30

(18)

 5(5)  16

(8)

 12

(6)

 30

(15)

 5(3)  6(3)
 0.50  22

(9)

 18

(10)

 22

(18)

 44

(18)

 75

(34)

 19

(9)

 30

(18)

 6(5)  18

(9)

 12

(6)

 30

(15)

 5(3)  6(3)
0.60  42

(13)

 30

 (18)

 42

(18)

 44

(18)

 65

(25)

 29

(18)

 30

(18)

 9(5)  22

(11)

 14

(76)

 30

(15)

 5(3)  7

(3.5)

 0.67  44

 (20)

 44

(18)

 44

(20)

 44

(20)

 60

(10)

 36

(18)

 44

(18)

 12

(6)

 27

(14)

 18

(9)

 30

(15)

 5(3)  7

(3.5)

 0.75  44

 (20)

 44

(18)

 44

(22)

 44

(20)

 75

(18)

 44  44

(18)

 22

(11)

 38

(19)

 24

(12)

 30

(15)

 5(3)  8(4)
   注;1、对于β<0.20的值按β=0.20的值;

       2、 不带括号的值为零附加不确定度的值;

       3、带括号的值为0.5%附加不确定度的值;

       4、表列数值为位于孔板上游的各种阻流件与孔板之间所需要的最短直管段长度,R/D=1.5;

       5、**表示没有数据,使用β=0.4时的长度是足够的。     

    注;表中A表示:1、单个90°弯头;2、 在同一平面上两个间距S大于30D的90°弯头;3、再不同平面上的两个间距S大于15D的90°弯头。

         B 表示:在同一平面上的两个间距为10D≤S≤30D的弯头。

         C  表示:在同一平面上两间距S不大于10D的90°弯头。

         D 表示:在不同平面上的两间距为5D≤S≤30D的90°弯头。

         E 表示:再不同平面上的两间距为S≤5D的90°弯头。

         F 表示:作为弯头使用的单个90°三通。

         G 表示:1、单个45°弯头,2、在同一平面上的两间距S大于22D的45°弯头。

         H 表示:渐缩管。

         I 表示:渐扩管。

         J 表示:球阀全开。

         K 表示:对称聚所异径管。

         L 表示:稳度计套管或插孔。

 

表4  ISO/CD 5167 标准孔板(配管束型整流器)上下游直管段长度Lf(以管径D倍数表示)

β值 单个90弯头R/D=1.5 在不同平面上的两个90弯头S≤2D,R/D=1.5 单个90三通 任何其他形式的管件及管路分布
18≤Lf≤30     Lf≥30 18≤Lf≤30 Lf≥30 18≤Lf≤30 Lf≥30 18≤Lf≤30 Lf≥30
    1    2      3    4     5

6

7

8

9

   ≤

   0.20

 

 5-14.5

(1-n*)

5-25

(1-n*)

5-14.5

(1-n*)

5-25

(1-n*)

5-14.5

(1-n*)

 1-25  5-11

(1-n*)

 5-13

(1-n*)

 

   0.40

 

 5-14

(1-n*)

 5-25

(1-n*)

  5-14

(1-n*)

 5-25

(1-n*)

   5-14

(1-n*)

 1-25

(1-n*)

 5-11

(1-n*)

 5-13

(1-n*)

   0.50

 

11.5-

14.5

(3-n*)

 11.5-25

(3-n*)

 9.5-14.5

(1-n*)

 9-25

(1-n*)

 11-13

(1-n*)

 9-23

(1-n*)

 0#(3-n*)  11.5-14.5

(3-n*)

   0.60

 

 12-13

(5-n*)

 12-25

(5-n*)

 

 13.5-14.5

(6-n*)

 9-25

(1-n*)

 0##

(7-n*)

 11-16

(1-n*)

   0

(7-n*)

 12-16

(6-n*)

   0.67

 

 13(7-n*)  13-16.5(7-n*)

 

 13-14.5

(7-n*)

 10-16

(5-n*)

    0

(8-n*)

 11-13

(6-n*)

    0

(8-10)

 13

(7-n-1.5*)

   0.75

 

14(8-n*)  14-16.5

(8-n*)

 0(9.5-n*)  12-12.5

(8-n*)

    0

(9-n*)

 12-14

(7-n*)

    0

  (9.5)

    0

(8-22)

 推荐管束位置  13

 β≤0.67

 14-16.5

 β≤0.75

 13.5-

14.5

  β≤0.67

 12-

12.5

 β≤0.75

 13

 β≤0.54

 12-13

β≤0.75

 9.5

β≤0.46

 13

β≤0.67

 注;*)n是19管管束整流器上游端面处于最近的阻力件下游曲面或锥面1D处的管径倍数。除了不能给出在孔扳至19管管束整流器下游端面的距离外,19管管束整流器上游端面最近阻力件下游曲面或锥面的长度至少2.5D;

   #)如 β=0.46为9.5;

  ##)如 β=0.54为13。

  注;1.表中给出的直管段长度是19管管束整流器(如ISO/CD5167中5.3.2.1.2所述)下游端和已给的一个安装在19管管束整流器上游距孔板Lf长的特定阻力件的孔板之间允许的长度 。距离Lf的测量是从孔板至最近(或唯一)的T型管下游端曲面或渐缩管或渐扩管锥面。表中推荐的管束位置距离值是适用于特定的β值范围;

     2. 对于β<0.20的值按β=0.20的值;

     3. 不带括号的值为零附加不确定度的值;

     4. 带括号的值为0.5%附加不确定度的值;

     5. 表列数值为位于孔板上游和下游的各种阻力件与孔板之间所需要的最短直管段长度。

    在新的试验数据面前,如果要保证标准孔板流量计测量天然气流量的准确度,人们不得不重新审视现行标准孔板计量标准的修订和现用标准孔板的上游安装条件是否满足要求。同时,现行标准中只列 由七种典型的阻力件类型,并且所需最短直管段长度是在阻力件前流动为充分发展管流条件下试验得到的,这样的条件与现场实际条件有很大差异, 现场阻力件远多于七种,而且阻力件之间的组合更是普遍存在,节流件前的阻力件入口处并非充分发展管流,这种复杂的流动状态如何规定其直管段长度?值得庆幸的是表5和表7中的数值给人们提出了利用上游直管段长度和整流器调整流态的有效方法,虽然目前只有配备管束整流器的安装要求。对于其它型式的整流器只列于附录中,将随着试验研究数据有不断丰富和成熟将陆续公布。这说明整流器仍有待完善提高,只有积累足够的系统的试验后才能取得可靠的数据,也才能列于标准中,这些都需要一定的时间才能达到。

    另外,在AGA No3(90版)中,为减少安装对流量计量的影响,AGA No3(90版)第二部分推荐了孔板流量计上游和下游直管段的最小长度及孔板到整流器之间的最短距离。按AGA No3(90版)推荐的整流器的位置,标准孔板流量装置的流出系数C的误差大约为1.0%或更多。当β值升至0.75时,按AGA No3(90版)第二部分的设计孔板流量计上游直管段长度最少应为17D,下游应为5D,整流器至孔板的距离最少应为7D。

    但AGA No3(90版)的规定能否使安装对孔板流量计的计量性能的不利影响减少到最小,文献{2}(美国GRI)最新的研究结果表明,并不存在理想的对于所有情况都能提供最佳孔板定位测量的管束整流器的定位,最佳定位取决于入口按装、β值、孔板取压位置和管束的设计 。不仅不同的安装能引起流出系数C的结果的变化,而且对相同位置,差异的存在还取决于取压口的位置,由此可见,原标准中关于安装的规定需要修改。现行ISO 5167标准规定整流器应安装在孔板与最接近孔板上游的阻力件之间的直管段长度中,此阻力件与整流器之间的直管段长度应至少等于20D,而整流器与孔板之间的直管段长度应至少等于22D。GRI试验研究分析表明,就目前而言,定位管束整流器下游端至孔板的距离为10D12D将能提供较好的流量测量,这正是新国际标准所改进的最大之处。据最新资料介绍,国外GRI的孔板流量计研究集中在研究对管束排列的改进方案及替代整流器的设计,希望当安装在短测量管路上时,在距孔板最短的上游距离内,不管入口管路的布置、取压方向及流动状态如何,都可以获得要接受的测量性能。因此,为提高孔板流量测量的准确度,必须进行流动状态、管束位置的调整并需现场校准。

    从以上分析和表中的数据可以看出,新的ISO/CD 5167和AGA No3报告的流出系数及安装条件和直管段长度要求发生了重大变化,主要有以下几点:

     1. 对于绝大多数上游管路安装条件而言,新的上游直管段长度不但明显大于现行AGA No3报告中的数值,而且大于现行ISO 5167-1标准上游直管段长度(见SY/T6143中表2)的数值,由于现场实际条件与标准规定有很大差异,必将对孔板计量产生重大影响,另外也有力说明原来标准规定的上游直管段长度偏低;

     2. ISO/CD 5167的下游直管段长度要求基本无变化,而AGA No3报告它对下游直管段长度要求比ISO/CD 5167的下游直管段长度小一倍左右;

     3. 现行ISO 5167标准中的列有七种典型的阻力件类型,而现场阻力件远多于七种,且阻力件之间的组合更是普遍存在;新的标准(表1和表3)规定了比较多的阻力件(及组合阻力件),因而更 适应现场的实际条件;

     4. 新的ISO/CD 5167和AGA No3报告目前只有配备管束整流器的安装要求,但提供了整流器的性能测试要求,同时由于计量站主要是为了正确计量,确保计量准确度,因而改善现场流场条件主要考虑直管段及整流器的作用。

    总的来说,不带整流器的安装位置比原来的规定要长,说明以前的规定流态没达到充分发展流,证明孔板流量计量偏低;同时配备管束整流器的推荐安装位置约13d左右(对几乎所有的β比)。由于国际上新的试验对应产生了新的流出系数公式和新的安装要求,同时考虑到我国是ISO及OIML的成员国,一般情况下我国计量标准应向ISO有关标准靠拢或直接采用,因此今后国内天然气孔板计量标准也应向其靠拢。 

结  论

    近十几年来国际上对孔板流量计进行了大量的试验研究,为近二年修订与颁布的AGA No3与ISO 5167二个标准奠定了坚实的基础,最新科技成果体现在孔板的流出系数计算公式趋于统一和安装条件与直管段长度要求有较大变化等。为此,目前我国天然气计量行业标准SY/T6143-1996与新出台的国际标准存在较大差异,已不能完全满足目前我国天然气工业计量技术发展和与国际接轨的实际需要,因而抓住ISO 5167与AGA No3的主要变化点,加快SY/T6143-1999标准修订已迫在眉睫。

修订现行孔板计量标准的建议

    针对新AGA No3报告与ISO 5167标准的特点和要求,从标准先进性和适用性出发,建议修订天然气孔板计量标准,主要考虑二个原则:

        1. 采用国外最新试验研究成果,尽可能做到与国际先进标准接轨;

        2. 充分考虑天然气介质的特殊性及我国天然气计量长期实践的经验和做法。

    由于我国是ISO及OIML的成员国,我国的计量标准原则上应向ISO有关标准靠拢或直接采用,然而目前单方面靠ISO 5167或AGA No3报告做法是难于实现的。从前面的分析研究可知,ISO 5167为通用标准,而AGA No3报告为美国天然气孔板计量的最新专用标准,AGA No3报告(分四部分)标准化要求严格,编写格式与我国相关标准要求差异较大,所引用的是美国历史上的一些试验资料、计算方法的处理(对AGA No3报告第3、4部分的处理不仅仅是单位换算),测量管圆度及厚度公差要求的方面完全套用目前难以实现。考虑到标准修订既要吸收国外先进技术和经验,又要考虑国情及标准的连续性,同时还应考虑不能将国际上ISO 5167与AGA No3报告的分歧引入国内。为此,建议;

     在天然气孔板计量标准SY/T6143-1996的基础上,翻译并整理分析最新的AGA No3报告与ISO 5167标准,结合我国天然气孔板计量的实际情况,非等效(或参考)采用ISO 5167标准与AGA No3报告,主要处理办法是;

     1. 测量装置及一般要求采用ISO 5167;

     2. 工作状态下的天然气压缩因子计算方法采用我国相关标准GB/T17747,在对计量精度要求不高的小计量装置中,可考虑使用NX-19;

     3. 流出系数公式采用98版RG公式,并从法制计量单位出发推导天然气流量计量的实用计算公式,型式采用SY/T6143(即AGA No3报告型式);

     4. 增加新国际标准整流器的规定和性能测试等有关内容;

    5. 增加在线实流校准等有关内容。

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