（流体机械及工程专业论文）用piv、ldv对天然气大流量计量的研究.pdf

l 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：7 善枸，辱 日期：h 7d g 占 指导教师签名：译段 日期扣口7 o 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：宿桷糸 日期： h f d 1 6 6 及 吁万 ：彦 名 o 雠稚0 教目锄期捌日 l 西华大学硕士学位论文 摘要 能源是发展国民经济的重要物质基础。当前能源问题已成为我国国民经济中的一个 突出问题。天然气作为一种清洁的能源，在世界各地已经得到了广泛的应用。天然气的 计量工作是对天然气进行科学的管理的一项重要技术基础工作。天然气大流量计量是天 然气计量中较为核心的部分，关系到了多方利益，对天然气的大流量计量研究有着非常 重要的意义。 本文通过对天然气流量计量的现有方法着手，较为详细地介绍了目前的天然气流量 计所使用的方法，并从应用方法和实际的流量计设计方面，总结了各种方法的优缺点。 从而引出将新的方法用于天然气流量计量的需求。 本文从理论上分析了将p i v 、l d v 这两种先进的测量方法运用于天然气流量测量的 可行性。在实际的试验中，按照安全规程，对天然气运输过程中常见的五种工况进行了 详细阐述，并就这五种工况分别进行了p i v 、l d v 的现场测量。在得到测量数据后，通 过对数据的详细分析，然后将测量值与喷嘴流量计和超声流量计对比，而得出用p i v 、 l d v 对天然气流量的测量是完全可行的。 最后通过这次课题的测量结果，描述了此次方法的创新点，根据此次的结果和现场 遇到的问题，给出了相关的建议，并结合国外的相关文献，给出了下一步的工作建议。 关键词：天然气流量测量：p i v ；l d v 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 。一 a b s t r a c t t h ee n e r g ys o u r c e si s 也ef o u n d a f i o no ft h ed e v e l o p m e n to f 也en a t i o n a le c o n o m i c s h o w e v e r , t h ee n e r g ys o u r c e sp r o b l e mh a sb e c o m eac r i t i c a lo n ei nt h ec u r r e n tn a t i o n a l e c o n o m i c s a sas o r to fc l e a re n e r g ys o u r c e ，t h en a t u r a lg a si sw i d e l yu s e da r o u n dt h ew o r l d t h en a t u r a lg a sm e a s u r e m e n ti sa v e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lw o r kf o rn a t u r a lg a s r e g u l a t i o n a n dt h eh e a v yf l o wm e a s u r e m e n ti st h e c o r eo fn a t u r a lg a sm e a s u r e m e n t f u r t h e r m o r e ，i th a si n f l u e n c e so ns om a n ya s p e c t so ft h en a t u r a lg a sf l o wa n dg r e a t s i g n i f i c a n c et ot h en a t u r a lg a sm e a s u r e m e n t o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gm e t h o do f m e a s u r i n gg a sf l o w ，am o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h ec u r r e n tm e t h o d su s e db yn a t u r a lg a sf l o wm e t e ri si n t r o d u c e d ，a n df r o mt h ea p p l i c a t i o n m e t h o da n dt h ea c t u a lf l o wm e t e rd e s i g n ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o da r e s u m m a r i z e d t h e nt h en e e do fan e wm e t h o df o rg a sf l o wm e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h et w oa d v a n c e dm e t h o d s ( p a n dl d v m e t h o d ) w e r ea n a l y z e di n t h i sa r t i c l ew h i c ha r eu s e df o rm e a s u r i n gt h eg a sf l o w a c c o r d i n gt ot h es a f e t yr e g u l a t i o n s ， f i v ec o n d i t i o n sw h i c ha r ev e r yc o m m o ni nt h eg a st r a n s p o r t a t i o nw e r ee x p l a i n e dc l e a r l yi nt h e e x p e r i m e n t s a n dt h el o c a lp a n dl d v m e a s u r e m e n t sw e r ed i da tt h i sf i v ec o n d i t i o n s a f t e rt h a t ，t h ee x p e r i m e n td a t aw e r eo b t a i n e da n da n a l y z e dc a r e f u l l yt h e n c o m p a r i n gt h e m e a s u r ed a t aw i t ht h en o z z l ef l o wm e t e r sa n du l t r a s o n i cf l o wm e t e r s ，t h ep i va n dl d v m e a s u r e m e n t st ot h eg a sf l o ww e r ea b s o l u t e l yf e a s i b l e f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so ft h ep r o p o s a l ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em e t h o do f i n n o v a t i o n ，i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sa n do n s i t ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rg i v e st h e r e l e v a n tr e c o m m e n d a t i o n s m o r e o v e r ，c o m b i n e dw i t hf o r e i g nl i t e r a t u r e ，r e c o m m e n d a t i o n sa r e p r o v i d e df o rt h en e x ts t e po ft h ew o r ki nt h eg a sf l o wm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n to fn a t u r a lg a sf l o w ；p i v ；l d v i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 1绪论1 1 1天然气流量测量的方法现状1 1 2 天然气大流量计量的问题及研究意义3 1 2 1天然气大流量测量现状3 1 2 2 天然气流量测量存在的问题。3 1 2 3 天然气大流量计量研究的意义4 2 天然气大流量测量方法简述5 2 1 质量法5 2 1 1 科里奥利质量流量计5 2 1 2m t 法天然气标准流量装置8 2 2 压差法1 0 2 2 1 基本原理1o 2 2 2 压差流量计结构一1 2 2 2 3 压差流量计的优缺点1 3 2 3 容积法1 3 2 3 1腰轮流量计1 3 2 4 速度法16 2 5 2 6 3p 、 3 1 2 4 1涡街流量计17 超声波法2 1 2 5 1 超声波流量计测速原理2 1 2 5 2 超声流量计结构2 3 2 5 3 超声流量计的优缺点2 4 理想流量计模型及新测量方法2 5 2 6 1理想流量计模型2 5 2 6 2 应用于天然气流量测量的新方法2 6 l d v 原理及测量流量的可行性分析2 7 p i v 测试系统简介2 7 3 1 1p i v 测试系统基本原理2 7 3 1 2p i v 测试系统基本结构2 8 i i i 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 4 5 6 3 2p i v 用于测量流量的可行性分析3 3 3 2 1p i v 测速原理3 3 3 2 2 体积流量计算方法3 6 3 3u ) v 测试系统简介3 7 3 3 1l d v 测试系统原理3 7 3 3 2l d v 测试系统结构3 9 3 4l d v 用于流量测量可行性分析4 0 3 4 1u ) v 测速原理4 0 3 4 2l d v 测速后转换为体积流量的方法4 0 测量方案4 2 4 1p i v 、l d v 的安全性测试4 2 4 1 1p 安全性测试4 2 4 1 2u ) v 安全性测试4 3 4 2 现场测试方案的准备4 4 4 2 1 测试段的安装4 4 4 2 2p i v 系统及安装4 4 4 2 3l d v 系统硬件及安装4 6 4 2 4 粒子添加系统及安装4 8 4 3 测试现场的布置4 9 测量的分析5 4 5 1 数据处理过程5 4 5 1 1p i v 试验数据处理过程5 4 5 1 2l d v 数据处理过程5 7 5 2 结果的分析6 0 5 2 1p i v 结果的分析6 0 5 2 2l d v 结果的分析6 1 5 3u ) v 和p 测试的比较6 2 5 3 1 测试原理比较6 2 5 3 2 测试效果比较6 2 5 3 3测试环境的比较6 4 结论及下一步工作的建议6 6 西华大学硕士学位论文 6 1 结论6 6 6 2 下一步工作的建议6 6 6 2 1 粒子添加方式的改进6 7 6 2 2 提高p i v 测试精度的建议6 8 6 2 3l d v 单点流量测试方法的思路6 8 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表学术论文情况7 5 致谢。7 6 v l 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1天然气流量测量的方法现状 在天然气的生产、输送、交易及使用过程中，由于供需双方的经济利益，要求流量 计具有精度高、能耗低、维修量少等优良特性。随着我国加入w t o ，外资企业进入我 国天然气市场，天然气流量计量与国际接轨已经成为一种必然趋势。目前，在天然气计 量方面，国际上所采用的流量计主要有差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计、 超声波流量计以及质量流量计等【l 】。各种流量计所采用的方法主要有压差法、容积法、 速度法、超声波法以及质量法。 ( 1 )压差法 目前的所有天然气流量计中，用压差法的流量计在数量上是所有方法中使用最多 的，其发展也是最早的。用这种方法设计成的流量计中，最具有代表性的就是孔板流量 计。 用孔板流量计测量天然气流量已经进行过非常深入细致的研究试验，积累的实践经 验亦很丰富，在量的基础上产生了质的飞跃，其标志就是标准化，使用标准孔板流量计， 可以无须实校准而确定信号( 差压) 与流量的关系，并估算其测量误差【2 】。 利用压差法做的差压流量计是测量流体流经动压测定装置或节流装置所产生的静 压差来显示流量大小的一种流量计，由节流装置( 如孔板、喷嘴、文丘里管等) 和差压计 组成。在自动控制过程中，由节流装置产生的压差信号，通过差压变送器转换成相应的 信号( 电的或气的) ，以供显示、记录和调节用。这种流量计具有结构简单、使用寿命长、 适应性强和价格较低等优点。我国的天然气输送计量中，差压流量计得到最广泛的使用。 ( 2 ) 容积法 用容积法设计的容积式流量计利用一个精密的标准容器对被测流体进行连续计量， 故又称量计型或直接测量型流量计。根据标准容器的形状及连续测量方式的不同，容积 式流量计分椭圆齿轮流量计、腰轮( 罗茨) 流量计、转筒流量计、刮板流量计、旋转活塞 或往复活塞流量计，以及近期发展的对污物不敏感的双转子型容积式流量计和用于两相 流测量的特殊缺齿型流量计、扭转电螺旋型c o m 流量计等。其中，腰轮流量计本体内 的转子型线比较合理，是近年来迅速发展、广泛应用的的一种容积式流量计。 ( 3 ) 速度法 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 速度法测量天然气流量一般都是先通过测量出天然气的流动速度，然后根据流动速 度计算出天然气的流量。目前，用速度法做成成品的计量器也广泛应用于天然气的计量 中，其中，应用最广泛的就是涡街流量计。 涡街流量计是依据流体振动频率与流速有对应关系来设计的。它是一种无运动部件 的流量测量仪表，通过测量流路中障碍物下游的漩涡频率来反映流速，从而达到测量流 量的目的。涡轮流量计的变送器输出与流量成正比的脉冲信号，并通过传输路线传送给 显示仪表。这种脉冲信号适于作为计算机、定量控制系统配比系统的输入信号。 涡街流量计的优点是适用范围广、测量精度高、磨损小、输出信号呈线性并可远距 离传输、而且还便于安装和维护。但是由于涡街直接与流体接触并转动，故对流体的清 洁度要求较高。流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。涡街流量计对流 体的速度分布较敏感，故一般在仪表内部都设有流束整直器，并要求变送器上游有必要 长度的直管段。 ( 4 ) 质量法 质量法测流量在天然气中应用广泛，除了日常用的科氏质量流量计，我国多数天然 气计量站中用作一级计量的m t 法天然气流量标准装置也是以质量法为基础的。 科氏质量流量计的基本原理是：当流体流过振动的管道时，产生一个正比于流体质 量流量的科氏力，相应地在两个传感器之间会检测到一个相位差，该相位差与流体的质 量流量成正比，从而测量天然气的流量。 科氏流量计特点有：( 1 ) 精确度高，可达流速的0 2 ；( 2 ) 可测不同粘度的液体、泥 浆，除了水、药液、石油等一般液体之外，还可测高粘度液体、泥浆；( 3 ) 无流速分布的 影响；( 4 ) 量程比宽，可达1 0 0 - 1 【j j 。 m t 法天然气流量标准装置主要测量充气质量m 和充气时间t ，也即是测量在时间t 内流过的气体质量。然后，根据质量流量定义q 卅= 叫f ，来计算出流量，并通过此方法 来校正次级标准装置。 ( 5 ) 超声波法 超声波法是利用流体对超声波的影响( 可以影响超声波的传播速度、频率、或位移 等) 来测量流量。根据流体对超声波的影响作用，利用超声波法制成的超声流量计可以 分为传播速度差法、多普勒法和射束位移法等几类流量计【4 】。 超声流量计测量原理是通过测量流体的流速来换算成流体得体积流量q ，其关系 是：q ，= u s 。流通截面s 主要取决于管道状况及工况，能够精确测量。因此，测量流体 的流速u ，便是超声流量计进行流量测量的主要目的。具体的超声流量计是通过发射换 2 西华大学硕士学位论文 能器产生超声波，以一定的方式穿过流动的流体，通过接收换能器转换成电信号，并经 信号处理而得到流体速度。目前，超声波流量计已经广泛地应用于了天然气行业中。 1 2 天然气大流量计量的问题及研究意义 1 2 1天然气大流量测量现状 天然气计量涉及到管道设计、施工、投产运行、维修、检验、检定及安全环保等各 个方面，在天然气计量的相关标准中，流量计量标准尤为重要。近几年随着质量计量和能 量计量方法的逐步推广，有关天然气密度、组分、发热值、压缩因子等相关参数的测量 和计算标准也包括在计量标准体系中。目前，制订天然气计量标准的组织主要有国际标准 化组织( i s o ) 的t c 3 0 封闭管道流体流量测量技术委员会、t c l 9 3 天然气技术委员 会和t c 2 石油与润滑油技术委员会、国际法制计量组织( o n v m ) 的t c 8 流体量的 测量技术委员会、美国气体协会( a g a ) 报告、美国材料与实验协会( a s t m ) 、美国仪器 协会( i s a ) 、欧洲标准化委员会( c e n ) 等【5 】。目前，制定各种标准以使各种流量计规范和 互通是国际计量标准的目标。现在，国际计量标准最完善的基本上只有孔板流量计，其 他的流量计包括涡街流量计和超声流量计的标准都还在制定之中。因此，整个计量体系“ 都还是在一个广泛的建设和完善之中。 1 2 2 天然气流量测量存在的问题 。 - 在目前的天然气流量测量仪器中，都有着其各自的特点和使用场合。但是，它们也 同时有着自己的缺点。目前国际上应用最为广泛的三种流量计孔板压差流量计、涡街流 量计和超声流量计也都有着它们固有的缺陷。 由于孔板差压流量计是由伯努利能量守恒定律和流体流动连续性方程得出的流量 表达式，这个表达式为平方根关系，故此流量计测量范围窄。并且流量是由压力、温度、 长度、密度等多参数的综合导出量，且各参数是动态间接测量的，所以仪表测量误差较 大，精度不高【6 j 。 涡街流量计中旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不 同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器( 整流器) 。而且仪表在脉动流、 混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。对于大口径的环境中，涡街流量计更是显得准确 度不够。 超声流量计对管道和天然气的要求比较高。它一般要求清洁的天然气，并且管壁的 生锈或是其它原因导致凹凸不平会直接影响到超声波的信号，导致流量计精度不高。 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 天然气大流量计量研究的意义 源是发展国民经济的重要物质基础。当前能源问题已成为我国国民经济中的一个 题。天然气作为一种清洁的能源，在世界各地已经得到了广泛的应用。天然气的 计量工作是对天然气进行科学的管理的一项重要技术基础工作。而天然气大流量计量是 天然气计量中的核心部分，关系到了多方利益，对天然气的大流量计量研究有着非常重 要的意义，具体表现在以下两个方面： 第一，节约能源已被中央确定为一项重要方针。我国不仅是一个大量的能源消耗国， 而且能源利用率也很低，比发达国家约低2 0 左右，所以我国节能的潜力很大，如果能 源利用率提高1 ，其经济效益将是非常可观的。在节能工作中，计量仪表是基础，流 量计量会起到极为重要作用。然而，目前用于天然气测量的大流量流量计都有着或多或 少的缺陷，使其不能够得到精确的测量值。对天然气的大流量计量研究也正是为了达到 更好的测量效果，从而使节约能源能够更好地实施。因此，这对实施节约能源这一中央 方针有着直接的意义。 第二，从经济利益来看，在天然气工业生产中，从天然气的开采、运输、炼冶加工 直至贸易销售，流量计量贯穿于全过程中，任何一个环节都离不开流量计量。否则将无 法保证天然气工业的正常生产和贸易交往。天然气大流量计量是天然气管道工业中很重 要的环节，它是企业进行贸易交接、经济分析、降低运行成本的主要因素，直接影响企 业的经济效益与用户利益。对天然气大流量计量的研究的到更为合理和准确的流量计，。 也在维护各方利益，减少利益纷争方面有很好的意义。 本文将以流量计的最基本原理分类来描述各种天然气流量计，下一章中将逐一介绍 各种方法制作的流量计的原理、结构以及优缺点。 4 西华大学硕士学位论文 2 天然气大流量测量方法简述 如前面绪论中所述，目前，国内外用于天然气测量的流量计主要有质量流量计、压 差流量计、容积流量计、速度流量计和超声流量计。因此，从流量计的基本原理看，目 前天然气的测量方法主要有质量法、压差法、容积法、速度法以及超声波法。本章将以 较为详细的文字描述各种测量方法的基本原理和结构。 2 1质量法 质量法在天然气流量测量显得非常重要，因为它是一种稳定并且误差较小的一种方 法，其中，科氏流量计应用较为广泛。在以质量法作为基础的流量计中，m t 法的天然 气流量计量装置应用场合特殊，并且精度高。它一般应用在国家的天然气计量站中，并 且用作一级流量。 2 1 1 科里奥利质量流量计 ( 1 ) 工作原理 如图2 1 所示，在一根支管中，天然气在其内以速度v 从a 流向b ，将此支管置于 以角速度6 3 旋转的系统中。在这里，设旋转轴为x ，与管的交点为o ，在管内，由于流 体质点在轴向以速度v 、而在径向以角速度( ) 运动，此时流体质点受到一个切向科氏力 f c 。这个科氏力作用在测量管上，在0 点两边方向相反，大小相同f 7 】【9 1 ，为： 万v c = 2 c o v s m ( 2 1 ) ， 图2 1 科氏力的形成 f i g2 1 t h ef o r m a t i o no fc o r i o l i sf o r c e 5 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 由上面的计算公式，可以看出：直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生的 科氏力，便可以得到流量质量。这就是科里奥利质量流量计的基本原理。 ( 2 ) 结构 早期设计的科氏力质量流量计的基本结构如图2 2 所示。将装有流动流体的管道送 入一旋转系统中，由安装在转轴上的扭矩传感器，来完成流量质量的测量。这种流量计 只是在试验室中进行了试制。 图2 2 早期科氏流量计 f i g 2 2 e a r l ye o r i o l i sf l o w m e t e r 然而，在商品化产品设计中，通过测量系统旋转产生科氏力是不切合实际的，因而 均采用使测量管振动的方式替代旋转运动。以此实现科氏力对测量管的作用，并使得测 量管在科氏力的作用下产生位移。由于测量管的两端是固定的，而作用在测量管上各点 的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量 这个扭曲的过程在不同点上的相位差，就可得到流过测量管的流体的质量流量。现在的 科氏质量流量计主要由质量流量传送器和质量流量变送器组成，其基本组成如图2 3 所 示。 6 西华大学硕士学位论文 图2 3 科氏流量计的基本结构 f i g2 3 t h eb a s i cs t r u c t u r eo fc o r i o l i sf l o w m e t e r 传感器部分的左、右检测器获取的信号输入到变送器中用于实现时间差的测量；激 励器用来激励振动管使之产生角振动；温度传感器用来测量介质的温度以补偿流管弹性 模量的温度变化。质量流量变送器主要是对来自上述各部份的信号进行计算处理，准确 地实现质量流量的测量1 7 】。 ( 3 )科里奥利质量流量计的优缺点 从上面的分析，以及这些年的运用经验，反应出目前科氏流量计的各种优点，具体 的优点如下： 它可以直接测量质量流量，因此也就有有很高的测量精确度。 可测流体范围广，包括高粘度的各种液体，含有固形物的浆液，含有少量均匀分 布气体的液体，以及有足够密度的气体( 压力较高的气体) 。并且流量测量值对流体粘 度不敏感，流体密度对流量测量值几乎无影响【8 】。 科里奥利质量流量计的测量管的振幅小，可视作非活动部件；同时测量管内也无 无阻碍件或活动件。它对迎流分布不敏感，故也无上下游直管段的要求。因此测量时就 能够得到较高的精确度。 它可以用作多参数测量。既是在测质量流量的同时便可测流体密度和温度，还可 衍生测量体积流量、溶质浓度、液固双相流体异相的含量。 当然，科里奥利质量流量计也有着它自己的缺点，那就是： 他的最大口径为1 5 0 m m ，不能用大管径测量。并且相当部分型号科氏流量计的 重量和体积较大。 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 对于测量气体而言，它只能用于测量中高压气体，不能用于低压气体。一般认为 现有科氏流量计气体压力不能低于o i m p a 。因为低压气体密度很低，质量流量很小， 不能达到产生足够可检测的科里奥利力。 对液体测量时，液体中的气泡含量要尽量少，当液体中气泡含量超过某一界限会 显著影响测量值。 科氏流量计对外界振动干扰较敏感。为防止管道振动影响，相当一部分型号科氏 流量计的流量传感器安装要求较高。 它的成本偏高，流量计价格较贵。 2 1 2n r t 法天然气标准流量装置 m t 法也就是质量时间法，主要测量充气质量m 和充气时间t 。测量装置采用专用 电子天平的称量方法来确定被称量气体的质量；选用光电角轴编码器和光电开关组成换 向阀开关计时传感器，来精确的进行时间测量【l 。 我国的天然气标准流量装置主要都是运用的这种装置。其他的流量计都要通过原始 标准流量装置来校准。在全国的各个天然气计量分站中，m t 法天然气标准流量装置都 是用作一级计量。 ( 1 ) 测量原理 用m t 法测量流量的原理简单，就是运用最原始的质量一时间法来测量流体的流量。 此装置根据质量流量的定义，在测量给定的时间t 内，通过音速喷嘴( 或次级标准) 流 进称量容器的气体质量m ，便可求得气体质量流量。根据质量流量定义，其数学表达式 为： q 。= ( 2 2 ) 式中：g 。一气体质量流量( k g s ) ； m 一流经文丘里喷嘴( 或次级标准) 的气体质量( k g ) ； t 一测量时间( s ) 。 按( 2 2 ) 式便可计算出流经音速喷嘴( 或次级标准) 的实际质量流量。用此方法 来校验音速喷嘴( 或次级标准) 【1 1 1 。 ( 2 ) 结构 m t 法天然气流量标准装置主要有专用电子天平、称量容器、换向阀组、测量时间 的计时系统及隔爆型光电编码器、控制及测量计算机系统，其它配套设备有工艺充气管 路、密闭排放、放空管路；音速喷嘴、测量压力、温度的防爆型变送器，以及安全隔离 8 西华大学硕士学位论文 防爆墙、强制通气设备、可燃气体自动检测报警设备，气源处理、天然气流量稳定设备 等。其主要部分如图2 4 所示。 广 l l i l l t l l i l 1 专用屯子天平2 臂逮伸埒日3 光电街钠缩再器4 基向月5 计算机穗试累统6 赣界诫喷囊7 精细遵镰器8 强压设备 图2 4m t 法标准装置示意图 f i g2 4s c h e m a t i co fm tl a ws t a n d a r d s m t 法也就是质量、时间法，主要测量质量m 和时间t 。所以其装置部分也是需要两 个主要的部分组成：即测量质量部分和测量时间部分。在测量质量方面，此装置采用专 用电子天平的称方法来确定被称量的气体质量，而采用光电开关等组成的换向阀组成的 开关计时传感器来精确地控制换向阀启闭时计时器所计的时间。 ( 3 ) 优缺点 m t 法天然气标准流量装置有着它本身的优点，表现在： 该方法所涉及的物理参数少，从而误差源较少，可以获得较高的准确度； 用此方法对基本量质量和时间溯源比较容易。 当然，它本身的缺点也是比较明显，这种装置结构精细，占地面积大，每校准一套 这种天然气标准流量装置也是非常费时费力；同时，这种装置要求天然气在高压储气库 中相对稳定，也就是说在储气库中天然气的压力、温度、相对密度都要求稳定。所以这 种装置一般只用作一级的天然气计量。 9 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 2 2 压差法 2 2 1基本原理 压差法工作原理都是基于封闭管道中流体质量守恒( 连续性方程) 和能量守恒( 伯 努利方程) 两个定律。压差法的基本原理见图2 5 。 i t i i i i l艮冈 ，一 i 、e! 耋。l ，一一r ， ) 一 ，： 妻譬。一 。，；，： 孓 ，n j 一 = j i i i 口 i 多 i _ 口 j 一 a 弋r i jl 口 翻 、 彰 l - 一 q j l i 口 1 =- h 幻口 l , i - 一 一 h ! 一 j 、j l o 方 o i 【 一管壁上的压力变化 一- 一管道轴心线上 的压力变化 图2 5 孔板附近流速及压力分布 f i g 2 5 v e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni l e a l t h eo r i f i c e 充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图2 9 所示，流速将在节流件处 形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流 量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动 连续性方程( 质量守恒定律) 和伯努利方程( 能量守恒定律) 为基础的。压差的大小不仅与 流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质( 密度、粘 度) 不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。 压差流量计是以两个定律为基础设计的，现在，用图2 5 的情况结合两个定律来描 述压差流量计的原理。为了简化对问题的讨论，这里假定流体是理想的( 不可压缩的、 1 0 西华大学硕士学位论文 无粘性的) ，而求出理想流体的流量基本方程式。实验表明，被测流体流经节流装置时， 其流速和压力的分布特性是类似的。 如图2 5 所示，管道截面i i ，i i i i 处流体的绝对压力分别为p l 和p 2 ，两截面流体的 平均流速分别为v l 和v 2 。假定流体是： a 充满圆管的、充分发展的定常流。 b 忽略阻力损失，流经孔板为绝热过程。 c 管道水平安装。 d 流经孔板前后，比容不变。 能量守恒：用伯努利方程来表示为是指封闭管道中流体的压力和流速有如下的关 系： c 2 r 脚+ i ：2 u d u = 0 质量守恒：流体在一个封闭的管道中流动，当遇到节流件时， 量是不变的，用连续性方程表示为： 4 k = 4 = q 从而得出流量： 铲而c 占署d 2 厮 q 。：q m 式中q m ：质量流量，k g s ； q v ：体积流量，m 3 s ； c ：流出系数； 占：可膨胀性系数； p ：直径比，= d d ； d ：工作条件下节流件的孔径，m l d ：工作条件下上游管道内径，m ； 卸：差压，p a ； 肛：上游流体密度，k g m 3 。 ( 2 3 ) 在节流件前后它的质 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) l 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 2 2 2 压差流量计结构 差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称流量测量元件，它安装在被 测流体的管道中，产生与流量( 流速) 成比例的压力差，以供二次装置进行流量显示。二 次装置一般为显示仪表，它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进 行显示。差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置( 皮托管、均速管等) 。二 次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表。差压计的差压敏感元 件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置， 以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。 这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场 合，约占各种流量测量方式的7 0 。在天然气行业中，与其他各流量计相比，压差流量 计的使用量也是一直是最大的。 差压式流量测量系统的组成及工作流程简化框图如图2 1 0 所示。被测对象是流体 的流量q ，流量经节流式流量计产生静压差，其大小与流体流量有关，再经过电容式差 压传感器和变压器电桥转化为电压输出。有效值a c d c 转换器和平方器对其进行信号 调理，最后通过a d 转换器将模拟信号转换成数字信号，并通过l e d 显示出来【1 2 】。 图2 6 压差流量系统工作流程框图 f i g2 6 p r e s s u r ef l o ws y s t e mw o r kf l o wd i a g r a m 图2 6 中明确地表达了压差流量系统的结构，它主要包括节流式流量装置、电容式 差压传感器、变压器电桥及进行有效值转化、开方、a d 转换，最后显示的计数结果即 流体的流量，从而很直观的显示出流量数据。 1 2 西华大学硕士学位论文 2 2 3 压差流量计的优缺点 压差流量计的优点较多，其中最主要的是它是历史最悠久的一款流量计，它技术成 熟。压差流量计还适合较大口径管道的计量，它结构简单，安装容易，无可动部件，性 能可靠，耐用，它的标准规定最全，如果按照标准制造的孔板不需要标定，所以并且它 还有价格便宜的优点。 压差流量计的缺点是：压损大时，不适合长输管线的计量，量程比小。对前后直管 段要求很长，占地面积大，输出信号为模拟信号，重复性不高；由于它的参数很多，导 致对整套流量计精度的影响因素很多且错综复杂，很难提高测量精度。 2 3 容积法 容积式流量测量的方法，是具有很长历史的测量方法，它利用测量元件，把流经仪 表内的流体分隔为单个的固定容积部分，并连续不断地排出。其侧量原理类似于一种标 准容积的容器，连续地对流体流动的介质，进行固定容积的测量和计算 1 3 】。所以，容积。 式流量计是一种采用容积累加方法进行流体流量测量的仪表。 容积式流量计的种类较多，按其测量元件形式和测量方式可分为腰轮流量计、刮板 流量计、椭圆齿轮流量计、罗茨流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、回盘流量 计、薄膜流量计、转筒流量计、皮囊流量计和湿式流量计等。 在天然气的测量仪表中，所使用的容积式流量计又以腰轮流量计在输送中使用较广 且时间较长。其设计和制造工艺已比较成熟，为之配套的检定、安装、维护服务也达到 了一定水准。并且，腰轮流量计基本上具有容积式流量计的所有特点。这里就以腰轮流 量计来详细地叙述容积式流量计的原理及构造。 2 3 1 腰轮流量计 腰轮流量计由于计量精度高，重复性好，工作不受流动状态的影响，安装时前后不 需要很长的直管段等优点，目前被油田和天然气广泛用作在线计量原油及天然气体积 量；其工作性能、运行状况在各种计量仪器中都有自己的优势【1 4 】。 ( 1 )腰轮流量计的工作原理 当被测流体流经流量计时，腰轮受流体推动顺时针转动，驱动齿轮带动下边腰轮反 时针旋转，腰轮旋转3 6 0 0 时，有4 倍于计量室有效容积的流体排出流量计，这样，两个 腰轮交换驱动旋转随着腰轮的转动，流体经由计量室不断排出。腰轮每转一圈排出的 流体体积是一个固定值，即排出量与腰轮轴转速成正比，通过腰轮轴及其它传动机构， 传递到积算显示部分。只要计量室内部配合间隙设计、组装合理，它就会有较高的精度 和较低的流量。 用p i v 、l d v 对天然气大流量计量的研究 如上面所述，腰轮流量计的机械部分基本上就是这个原理。但是仅通过机械部分是 无法计量流量大小的，后面的流量的计算是通过积算部分来计算的。图2 7 表述了积算 显示部分的工作原理【1 4 】，积算部分通过脉冲传感器检测到转子轴的旋转次数，这一脉冲 信号经过电路放大滤波形态后送往微处理器进行计数处理，微处理器按所输入的仪表 系数k 值与所测得的脉冲数进行计算，公式如式2 7 。 q = 3 6 0 0 x f k ( 2 7 ) 式中：q 一流体流过流量仪表的体积流量，m 3 l l ； f 一脉冲频率，1 s ； 1 1 一脉冲数； s 一时间，s ； k 一仪表系数，r d m 3 ； r 4 8 5 通讯】 鹅户计镎祝x ： i 存储器 1 哪f 搿 燃r 士1 一、1 1 l _1 - 复位键 | i ， 电半转换亲j i 4 微。5 d 舱转换器j - 处 数字谜 理 器 1 l c d i i 2 示l c d 城动i f j 设定键 脉冲传感器， 前饩放大器h 整形滤波i 卜一 i l移位键 图2 7 积算部分工作原理图 f i g2 7 t o t a l i z e rp a r to ft h ew o r kd i a g r a m 得出流量值后送往l c d 驱动电路，驱动l c d 显示流体瞬时流量。同时将q 值在流 量计内部进行累加并储存通过功能键可随时查看流量计所计的累积气量。积算部分在 1 4 西华大学硕士学位论文 微处理器的强大功能支持下采用不同的多个流量点输入不同的仪表系数的方法，并同时 将容积式流量计特性典线的非线性段进行修正，以使流量什得到很宽的量程比。 ( 2 )腰轮流量计的结构 腰轮流量计由测量本体、转动机构、显示及远传部分组成。腰轮流量计的转子是一 对腰形轮，按照工作状态可分为立式和卧式两种，按转子的