新式差压流量计的性能试验与评价

新式差压流量计的性能试验与评价第1页，共44页，2023年，2月20日，星期五

摘要：本文介绍了一种新型的节流式差压流量计，数值模拟结果表明，在纺锤体直径段部分能形成环形槽道流动，使测量重复性、精确度、量程范围得到大幅提高。同时给出了实验室的测试和验证结果，介绍了在油田现场试验情况，最后给出了结论。

关键词：流量测量差压流量计槽道流动天然气计量第2页，共44页，2023年，2月20日，星期五前言

节流式差压流量计的应用范围极为广泛，传统的节流件主要有孔板、喷嘴和文丘利管等。它们用于流量计量已有近百年的历史，并且积累了大量实践经验，国内和国际标准化组织也制定了有关的标准。由于孔板流量计结构简单、易于复制，通用性强，价格低廉而获得大量应用。但是，孔板流量计存在量程范围窄，压力损失大，现场安装要求的直管段过长等缺点。特别2003年3月由国际标准化组织（ISO）正式公布了差压式流量计的最新国际标准ISO5167，对差压式流量计提出了苛刻的要求，使得孔板流量计的缺点更加突出。一种新式差压流量计的性能试验与评价一、第3页，共44页，2023年，2月20日，星期五因此，科研人员对差压式流量计的研究工作一直没有中断。南京航空航天大学研究出了一种新式节流式差压流量计——槽道流量计。该流量计打破了传统的思维方式，以流线型纺锤体作为节流件，将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁，在调整流动和保持流动稳定方面更胜一筹，使得从根本上大幅提高测量重复性和准确度成为可能，同时显著减少了压力损失。然而，很多专家对流量计的准确度、重复性、量程范围、前后直管段的要求提出了疑问，带着这些问题我们做了测试工作。一一种新式差压流量计的性能试验与评价前言第4页，共44页，2023年，2月20日，星期五纺锤体流量计节流装置的主要结构有如图1(a)(b)所示的两种形式。流线型纺锤体沿测量管轴线安装，其几何形状根据流体力学原理精心设计，中部适当位置有一段足够长的等直径段，与测量管的内壁之间形成均匀的环形通道。被测流体首先经过导流片，紧接着进入该环形通道，形成标准的环形槽道流动（annularchannelflow）。槽道流动的特点是压力顺轴线的降落具有良好的线性度，从而提供了非常稳定的低压（静压）。二一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计基础理论研究（一）结构第5页，共44页，2023年，2月20日，星期五对于清洁流体，节流装置可采用(b)形式，高压由纺锤体前缘（前驻点）的高（总）压管引出，可以得到最大的差压。(a)形式的节流装置在纺锤体前缘对应的测量管壁处取高压，得到的差压较(b)形式低，但结构简单，适用范围广。二一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计基础理论研究（一）结构第6页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价节流装置剖面图

图一、第7页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价产品样本图图二、（二）工作原理节流式差压流量计一般工作原理如下：当流体经过一个节流件时，流体速度加快，动能增加，流体的静压力减少，根据流体的流动连续性原理和伯努利方程，所有的节流式差压流量计都可使用同一形式的流量公式：(1)

(2)

式中：式中：qv为体积流量；qm为质量流量；C为流出系数；ε为可膨胀性系数；d为节流件的孔径或等效孔径；D为上游管道内径；β为节流比系数，；β=d/D为差压；△p为上游流体密度。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期五图2(a)为纺锤体附近的流线分布，图3(b)为相同条件下孔板附近的流线分布。可以看出，流体稳定顺滑地流过纺锤体，整个流场内没有出现流动分离；而孔板后方存在很大的分离区。流动分离会产生大量的旋涡。一方面由于旋涡的粘性耗散会大幅增加流体的压力损失；另一方面分离区内压力会产生脉动，且对来流条件非常敏感。因此，纺锤体流量计造成的压力损失会比孔板流量计大幅减小，并且测量压力的重复性会明显提高。

二槽道流量计基础理论研究（三）流场的数值模拟一种新式差压流量计的性能试验与评价1、流线分布第9页，共44页，2023年，2月20日，星期五纺锤体与孔板附近的流线分布对比

图二、图2纺锤体与孔板附近的流线分布对比(）第10页，共44页，2023年，2月20日，星期五

从图3可以看出，在环形槽道区域，压力等值线沿轴向分布非常均匀。这说明压力沿轴线呈线性下降，压力分布被“标准化”为槽道流动的压力分布。该区域各点的压力应该非常稳定，几乎不存在任何脉动。二一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计基础理论研究

2、流体压力分布第11页，共44页，2023年，2月20日，星期五纺锤体附近的压力等值线分布

图三、图3纺锤体附近的压力等值线分布

(）第12页，共44页，2023年，2月20日，星期五

当来流均匀（轴对称），上游平均流速时，纺锤体附近流场的速度分布如图4所示，从图4可以看出，流体进入纺锤体等直径段后，速度分布很快被“标准化”为环形槽道流动的速度分布。压力分布随着速度分布的“标准化”也被“标准化”。在这样“标准化”的稳定流动中，各点的压力非常稳定，几乎不存在任何脉动。同时，这一段也是流场中压力最低的区域。在这一段取低压，显然比以往差压流量计在充满大量不稳定旋涡的分离区取低压，能够达到更好的重复性和更高的精确度。二一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计基础理论研究3、流体的速度分布第13页，共44页，2023年，2月20日，星期五纺锤体附近的压力等值线分布

图三、图4纺锤体附近的速度等值线分布

(）第14页，共44页，2023年，2月20日，星期五

为了验证槽道流量计的可行性，我们选择南口径分别是DN100mm和DN50mm两台槽道流量计在检定室进行测试，分别从流量系数与雷诺系数的关系、准确度、重复性、量程范围、前端直管段的影响、前端闸门的影响六个方面进行测试分析，测试地点为油田天然气流量检定站，测试时间间隔为两个月。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果第15页，共44页，2023年，2月20日，星期五

试验标准装置是音速喷嘴气体流量标准装置，该装置不确定度优于0.3%；采用负压法检定，测试介质为干燥的空气，流量范围为(5-2700)m3／h；测试流量计口径范围为DN50mm-DN200mm；气密性C≤0.05%；重复性б≤0.1%。该装置由中国计量科学院考核合格，能检定四种类型的气体计量仪表。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果（一）试验标准装置介绍第16页，共44页，2023年，2月20日，星期五

在音速喷嘴气体流量标准装置上分别对DN100和DN50槽道流量计进行检定，排量由高到低均匀的选择十到十三个检定点，在每个检定点上分别记录槽道式流量计所指示的差压、压力P、气体温度T和音速喷嘴气体流量标准装置的标准质量流量，最后由公式（6）计算出流量系数K和雷诺数Re，K与Re的关系曲线如图（5），标准流量Q与的关系曲线如图（6）。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果（二）流量系数与雷诺数的关系试验

第17页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价DN100图五、

（a）DN100mm图5流量系数K与Re的关系曲线

第18页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

DN50图五、

（a）DN50mm图5流量系数K与Re的关系曲线

第19页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价DN100图六、

（a）DN100mm图6压差与流量的关系

第20页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价DN50图六、

（a）DN50mm图6压差与流量的关系

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从图（5）和图（6）中可以看出，流量系数随着雷诺数的增大呈现出水平直线关系，说明槽道流量计的计量性能非常稳定，有较高的测量范围。槽道流量计的差压的平方根与标准流量也是直线关系，这对流量计的产业化生产提供了理论依据，只要测量出槽道流量计的差压值就能够准确测量流体的流量。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果第22页，共44页，2023年，2月20日，星期五

在音速喷嘴气体流量标准装置上，按照差压式流量计检定规程，分别对DN100和DN50槽道流量计，从高流量到低流量依次进行检定5个流量点，每个流量点检定三次，在检定范围内相对误差与流量的关系如图（9），从图（9）可以看出：槽道式流量计用于气体流量测量准确度可达到0.5%，是目前气体流量测量中准确度比较高的流量仪表之一。槽道流量计的量程比最小为7：1。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果（三）准确度试验结果

第23页，共44页，2023年，2月20日，星期五纺锤体与孔板附近的流线分布对比

图七、图7槽道流量计检定流量范围内的误差（a）DN100mm（a）DN50mm第24页，共44页，2023年，2月20日，星期五

在相同条件下，在短时间内，分别在、0.75、0.4三个流量点，在音速喷嘴气体流量标准装置上重复测量10次，计算每个流量点的重复性，最后从三个流量点的重复性中找出最大的数据，试验数据如表1，槽道式流量计重复性小于0.1%三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果（四）重复性试验结果第25页，共44页，2023年，2月20日，星期五标准装置的不确定度:δ≤0.3%；

三、流量点Qmax0.75Qmax0.4QmaxDN1000.059%0.035%0.055%DN500.066%0.048%0.092%槽道流量计检定室内测试结果第26页，共44页，2023年，2月20日，星期五

在已经检定准确的DN100和DN50槽道流量计入口前端分别依次安装1D-8D直管段，在直管段后直接安装由四个标准弯头组成的“U”型管，对每个直管段分别在、0.7、0.4三个流量点在标准装置上标定，每个流量点标定三次，最后记录下标准质量流量和仪表显示的质量流量及相关数据，根据仪表的误差找出影响槽道流量计最小直管段长度，槽道流量计相对误差与直管段长度关系图如图（8），从图（8）中可以看出槽道流量计前直管段最小需要5D。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果（五）直管段影响试验第27页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

槽道流量计的相对误差与直管段关系图八、

（a）DN50mm图8槽道流量计的相对误差与直管段关系

（a）DN100mm第28页，共44页，2023年，2月20日，星期五

在槽道流量计前安装6D直管段,在直管段前安装碟型阀门,阀们开度分别由满度的100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%开启，在50%的流量点上进行检定，每个检定点检定三次，最后记录标准流量和仪表显示流量，计算阀门影响带来的误差，如图（9），从图（9）可以看出，槽道流量计前端阀门开度对流量计的误差影响很大，在流量计运行时，流量计前端的阀门开度至少大于80%。三一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计检定室内测试结果（六）阀门影响实验第29页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

阀门开度与示值误差关系图

图九、

（a）DN50mm图9阀门开度与示值误差关系图

（a）DN100mm第30页，共44页，2023年，2月20日，星期五

在试验室取得试验数据的基础上，我们进行了现场应用试验，把槽道流量计分别安装在不同的油田区块，不同的天然气计量介质，用于不同的计量用途，分别做了槽道流量计与孔板流量计的比对试验、槽道流量计与涡轮流量计的比对试验和槽道流量计与槽道流量计长距离的串联比对试验。孔板流量计和涡轮流量计都是计量天然气非常成熟的计量仪表，在国内外通常用于天然气贸易计量，如果槽道流量计与以上流量计比对试验成功，在天然气贸易计量领域将会多一名成员。四一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计用于天然气计量现场应用情况

第31页，共44页，2023年，2月20日，星期五

（一）、槽道流量计与孔板流量计的比对试验把孔板流量计与DN100槽道流量计进行串联安装，通过记录每天仪表显示数据，孔板流量计与槽道流量计显示数据的差别。1、现场实验基本情况介绍（1）安装试验地点：胜利油田河口采油厂天然气外输站（2）计量用途：埕东油田天然气外输量（3）计量介质条件：计量介质是天然气；压力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.1MPa，P常用=0.15MPa;温度：tmax=65℃，tmin=12℃,t常用=40℃,天然气相对空气密度ρ=0.7365,流量Qmax=900m3/h,Qmin=500m3/h，天然气管道口径DN=100mm。四一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计用于天然气计量现场应用情况

第32页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

图十（4）安装图如下：槽道流量计与孔板流量计比对实验安装图第33页，共44页，2023年，2月20日，星期五

2、实验结果比对结果如图（10），从图中可以看出槽道流量计与孔板流量计计量基本一致，产生的误差很小，误差的来源主要是槽道流量计与孔板流量计使用的天然气密度略有差别，导致槽道流量计计量数据偏低。从计量性能上看槽道流量计可以等同于孔板流量计使用。四一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计用于天然气计量现场应用情况

第34页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

槽道流量计与孔板流量计的比对曲线图十图10槽道流量计与孔板流量计的比对曲线第35页，共44页，2023年，2月20日，星期五

（二）、槽道流量计与涡轮流量计的比对试验把DN50槽道流量计与涡轮流量计串联安装在油田现场，记录两台流量计显示的数据，计算两台流量计之间的误差，比较它们之间的差别。1、现场实验基本情况介绍（1）安装试验地点：胜利油田河口采油厂渤一站（2）计量用途：卡炉天然气消耗计量（3）计量介质条件：计量介质是天然气；压力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.05MPa，P常用=0.16MPa;温度：tmax=50℃，tmin=3℃,t常用=15℃,天然气相对空气密度ρ=0.7637,流量Qmax=90m3/h,Qmin=200m3/h，天然气管道口径DN=50mm。四一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计用于天然气计量现场应用情况

第36页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

图（4）安装图如下：槽道流量计与涡轮流量计的比对试验安装图

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2、实验结果

比对结果如图（11），从图中可以看出槽道流量计与涡轮流量计基本一致，特别是最后四天曲线基本重合。从现场的瞬时流量显示看完全一样。从计量性能上看槽道流量计可以等同于涡轮流量计使用。四一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计用于天然气计量现场应用情况

第38页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

槽道流量计与孔板流量计的比对曲线图11图11槽道流量计与涡轮流量计的比对曲线第39页，共44页，2023年，2月20日，星期五比对试验，试验自2006年10月12号开始，历经四个月的时间，试验结果如图（12），从试验过程看槽道流量计性能稳定、故障率底、抗干扰强、准确度高、量程范围宽。四一种新式差压流量计的性能试验与评价槽道流量计用于天然气计量现场应用情况

(三)槽道流量计长距离串联比对试验第40页，共44页，2023年，2月20日，星期五一种新式差压流量计的性能试验与评价

槽道流量计长距离比对试验曲线图12图12槽道流量计长距离比对试验曲线

第41页，共44页，2023年，2月20日，星期五该流