探究天然氣流量計測量中溫壓補償測點的設（shè）計

摘要：針對流量計在測量氣（qì）體（tǐ）和蒸汽（qì）流量時需對溫度、壓力補償的問題，根據各流量計的測量原理不（bú）同，選擇合適（shì）的（de）測溫點和測壓點位置對測量的準確性至關重要。分析了幾種流量計溫度、壓力補償的（de）目的以及溫度、壓力參數的測量要求，提出了測溫口、測壓口開口位置的合理選擇。提供了利用焦（jiāo）耳－湯姆遜係數計算上下遊溫差（chà）的實例。
不同原理的流量計（jì），流體溫度和（hé）壓力的變化對測量結果的（de）影響各不相同，因此在測得流體的溫度和壓力後，要（yào）按規定的關係（xì）式進行補償。流體在管道內流動，由於流量傳感器、各種（zhǒng）阻流件的影響，在管（guǎn）道的不同部位測得的溫度和壓力值也會有很大差異，因（yīn）此用作流量測量溫度（dù）壓力補（bǔ）償的測量點的位置也有明確規定，不能隨意確定。
下麵以幾種典型流（liú）量計為例，論述（shù）流（liú）量測（cè）量中溫度壓（yā）力（lì）檢測點設計中的有關（guān）問題。
１天然氣流量計溫度（dù）壓力測點（diǎn）的（de）設計
１．１天然氣流量計工作原理
在流體流動的（de）管道中設置１個旋渦發生體（阻流件），於是在（zài）發生體下遊就會交替地產生（shēng）有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，該旋（xuán）渦（wō）的頻率與流過發生體的流速成正比關（guān）係。由於旋渦流量傳（chuán）感（gǎn）器的流通截麵積是１個常數，因此旋渦（wō）的（de）頻率與流（liú）過發生體的流體體積流量成正比，如式（shì）（１）所示：

式中：ｑＶｆ--旋（xuán）渦發生體出口的工況體積流量，ｍ３／ｈ；ｆ--旋渦頻率，Ｐ／ｓ；Ｋｔ--工作狀態下流（liú）量係（xì）數，１／ｍ３。
１．２溫度壓力補償的目的
１．２．１氣體流量測量的溫度壓力補償
在氣體流量測量中，測得工作狀態體積流量不是*終目的（de），得到標準狀態（tài）體積流量才是*終目標。由工作狀態體積流量到標準狀態體積流量的換（huàn）算，一般在流量演算器（qì）中完成，其依據如式（２）：

式中：ｑＶｆ--工況條件下的體積流量，ｍ３／ｈ；ｑＶｎ--標準狀態體積流量，ｍ３／ｈ；ｐｆ，ｐｎ--工作狀態、標準狀（zhuàng）態流體絕對靜壓，ＭＰａ，ｐｎ＝０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ，Ｔｎ--工況條（tiáo）件下、標準狀態流體熱力學溫度，Ｋ，Ｔｎ＝２９３．１５Ｋ；Ｚｆ，Ｚｎ--工況條件下、標準狀態（tài）氣體壓縮係數。
在式（２）中，Ｚｆ和Ｚｎ一般由流量演算器按（àn）設計（jì）好的程序自動計算得到，ｑＶｆ由式（１）計算得到（dào），而（ér）ｐｆ和Ｔｆ則必（bì）須經實測得到。
１．２．２蒸汽流量測量的溫度壓力補償
在蒸（zhēng）汽（qì）流量（liàng）測（cè）量中，雖然也（yě）有溫度壓力補償（cháng），但補償的（de）意義與式（２）完（wán）全不同。用（yòng）天然氣流量計測量蒸汽流量的（de）係統中（zhōng），測量的目（mù）的是得到蒸汽（qì）質量流量（liàng）值，如式（３）所示（shì）：

式中：ｑｍ--質量流量，ｋｇ／ｈ；ρｆ--工（gōng）況（kuàng）條件下的旋渦發生體出口蒸汽密度，ｋｇ／ｍ３，可通過（guò）查蒸汽密度表（biǎo）得到。１）對於過熱蒸汽，可由流量演算器按式（４）自動查蒸汽密度表得到：ρｆ＝ｆ（ｐｆ，ｔｆ）（４）式（shì）中：ｔｆ--工況條件下的蒸汽溫（wēn）度，℃。
２）對於飽和蒸汽，可（kě）由流量演算器按式（５）和式（６）自（zì）動查蒸汽密度表得到：
ρｆ＝ｆ（ｐｆ）（５）
ρｆ＝ｆ（ｔｆ）（６）
由於蒸汽（qì）的狀態隨溫度壓力參數而變化，因此有（yǒu）些蒸汽流（liú）量計安裝地點的蒸汽狀態難（nán）以確（què）定，有時處於過熱狀態（tài），有時（shí）處於飽和狀態（tài）。白天（tiān）管（guǎn）道內流（liú）速高，處於過熱狀態；夜間管道（dào）內流速低，進（jìn）入飽和狀態。這時（shí），應對（duì）其（qí）溫度壓（yā）力都（dōu）進行（háng）測（cè）量，由流量演算（suàn）器自動判斷，如果處於過熱狀態，則儀表（biǎo）自動轉向根據式（４）查過熱蒸汽密度表；如果已進入飽和區間，則儀表（biǎo）自動轉向按式（５）查飽和蒸汽密度表。
利用（yòng）蒸汽的溫（wēn）度壓（yā）力參數自動判斷蒸汽處於過熱狀態還是飽和狀（zhuàng）態，原理（lǐ）如圖１所示。關（guān）鍵是判斷蒸汽的溫度壓力值是落在臨界飽和曲線的下方還是（shì）上方，如果落在下方，則為過熱狀態；如果落在上（shàng）方（fāng），則為飽和狀態。

在這（zhè）種（zhǒng）情況下，一般壓力測（cè）量（liàng）精確度高（gāo），查表得到的（de）密度值的精確度（dù）也比較高，因（yīn）此（cǐ）通常采用式（５）求取密度，式（６）一般不采用。
１．３溫度壓力測量點位（wèi）置的選取
氣體和蒸（zhēng）汽都是可壓縮流體，在流過（guò）渦街流（liú）量傳感器（qì）時，都會產生一定的壓降。因此，在管道上不同位置開口測流體的絕對靜壓，得到的結果也不同（tóng）。在（zài）旋渦發生體上遊處，靜壓*高；在旋渦發生體（tǐ）流（liú）速*高處，靜壓*低，再往下遊，靜壓會有少許恢複。
旋（xuán）渦發生體前後的（de）永久性壓（yā）降，橫河公司提供了計算公（gōng）式如式（７）所示：△ｐ＝１．０８ρｆｖ２（７）式中：△ｐ--旋渦發生體（tǐ）前後壓降，Ｐａ；ｖ--介質流速，ｍ／ｓ。
以橫河（hé）公司ＹＦ１００係列旋渦（wō）流量計為例，不同型號流量儀用於溫度壓力補償（cháng）的溫度壓力測量點的安裝位置有不同的要求。壓力測點到旋渦（wō）發生體（tǐ）的上限距離與下限距離有很大差異。從３．５Ｄ～５．５Ｄ到３．５Ｄ～７．５Ｄ，使設計人員犯難，因此研究該距離對儀表的準確安裝有重要意義。
仔細研究橫河渦街產品的發展（zhǎn）曆史，在（zài）＊ＣＤ型儀表發展階段，天然氣流量計*小（xiǎo）通徑（jìng）隻能做到ＤＮ２５，對（duì）於ＤＮ２５渦街產品，５．５Ｄ即為１３８ｍｍ，在（zài）法（fǎ）蘭下遊的管道上開取壓口，在工程上還是可行（háng）的。但到了＊Ｄ型儀表發展階段，*小通徑可達（dá）到ＤＮ１５，同樣是５．５Ｄ，但對應的尺寸變為８３ｍｍ，要在如此短的距（jù）離上開取壓口，需要放寬距離以滿足工程中的需求。無論哪種情況，實際上兩者本質上（shàng）是一致的。
２差壓流量計溫（wēn）度壓力測（cè）點位置（zhì）的設計
差壓式流量計的種類很（hěn）多，下麵以使用*多的標準差壓式流量（liàng）計為例，說明溫度壓力測點位置的設計。
２．１差壓（yā）流量計工（gōng）作原理
差壓流量計工作原（yuán）理如式（shì）（８）所示：

式中：Ｃ--流（liú）出係數；β--直徑比，β＝ｄ／Ｄ；Ｄ--管道內徑，ｍ；ｄ--工作條件（jiàn）下節流件的開孔直徑（jìng），ｍ；ε１--節（jiē）流（liú）件正（zhèng）端取壓口平麵上的可膨脹（zhàng）性係數；ρ１--節流件正端（duān）取（qǔ）壓口平麵上的流體密（mì）度，ｋｇ／ｍ３。
差壓流量（liàng）計的本質是質量流量計，在式（８）中，沒有出現溫度和壓力這兩個變量，但應用這種流量計（jì）測量氣體和蒸汽的流量（liàng）時，流體（tǐ）溫度和壓力的變化，會使式中的密度ρ１產生變化，進而影響（xiǎng）流量示值。
對於組分穩定（dìng）的氣體，可用式（９）計算ρ１：

式中：ｐ１--節流（liú）件正端取壓口平麵上的流體壓力（lì），ＭＰａ；ｐｎ--氣體標準狀態壓力，取值為０．１０１３２５ＭＰａ；Ｔｆ１--節流件正端取壓口平麵上的流體溫度，Ｋ；Ｚｆ１--工作狀態下氣（qì）體壓縮係數，純數；ρｎ--標準狀態流體密（mì）度，ｋｇ／ｍ３。
對蒸汽來說（shuō），可用式（１０）由流量演算器自動查（chá）表的方法得到ρ１：
ρ１＝ｆ（ｐ１，Ｔｆ１）（１０）
毫無疑問，式（９）和式（１０）都表明，壓力取（qǔ）自正端取壓口，在具體實施時也（yě）比較方便，難的是（shì）正端取壓口處的流體溫度的測量。
文獻［６］和文獻［７］的相關內容規定：“流體溫度*好在一次裝置下遊測量，測量時需特別小心。溫度計套（tào）管或插套所占空（kōng）間應（yīng）盡可能小，如（rú）果插套位於下遊，其與一次裝置之（zhī）間的距離至少應為５Ｄ，當流體是氣體時，*大為（wéi）１５Ｄ。如果套（tào）管位（wèi）於上遊，則根據一次裝置的形式，采（cǎi）用規定的值”。
該標（biāo）準還規定（dìng），一般可以假設差壓口上遊和下遊的流體（tǐ）溫度是相同的。然而，如果流體是非（fēi）理想流體，而又需要計量準確，且上遊取壓口和一次裝置下遊測溫處又存在較大的壓力（lì）損失，則假設兩點之間是等焓膨脹（zhàng），必須根據下（xià）遊溫度計算上遊溫度。對於孔板計算時，應根據下式計（jì）算壓力損失（shī）△ω。
△ω＝（１－β１．９）△ｐ   （１１）
式中：△ω--一次（cì）裝置壓力損失（shī），Ｐａ。
 然後，可（kě）以（yǐ）采用（yòng）焦耳－湯（tāng）姆遜係數μＪＴ（ＪｏｕｌｅＴｈｏｍｓｏｎＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）計算上遊取（qǔ）壓口到下遊（yóu）測溫處的相應溫差（chà）△Ｔ：
△Ｔ＝μＪＴ△ω（１２）
在式（１１），（１２）中，式（１１）是經常用的，使用並不難，而式（１２）使用的並不多，原因是μＪＴ求取有難度。
２．２μＪＴ的（de）求取
ＩＳＯ５１６７．１-２００３的*３．３．４節定義，焦耳－湯姆遜係數又稱等焓（hán）溫（wēn）度-壓力係數，是等焓下相對於壓力的溫度變化速（sù）率：

式中（zhōng）：Ｔ--絕對（熱力學）溫度；ｐ--流（liú）經管道（dào）的流體靜壓；Ｈ--焓；ＲＯ--通用氣體常數；Ｃｍ，ｐ--定（dìng）壓摩爾（ěr）比熱容（róng）；Ｚ--壓（yā）縮係數。
３ 渦輪流量計溫度壓（yā）力測點的設計
渦輪流量計用來測量（liàng）氣體流量時，也（yě）需要進行溫（wēn）度壓力補（bǔ）償，以便將工作狀態下的體積流（liú）量換算到標準狀態體積流量。
該換算所依據的公（gōng）式與式（２）相同，但是由（yóu）於測量原理的不同，測壓（yā）點的位置有很大的差別。ＧＢ／Ｔ２１３９１-２００８《用氣（qì）體渦輪流量計測量天然氣流量》給（gěi）出了渦輪流量計（jì）在管道上典型的安裝圖。同時在文字描述中規定，渦（wō）輪葉輪處的靜壓測壓口至少要有１個（gè），孔徑範圍在３～１２ｍｍ。該標準（zhǔn）同時規定，溫度傳感器應安裝在葉輪的下遊端，其離葉（yè）輪的距離應小於５Ｄ，伸入管道公稱通徑約３３％處，但長度不能（néng）超過１５０ｍｍ。
４ 結束語
１）用來測量氣體和蒸汽流量的（de）流（liú）量計，除了個別（bié）的流量計之外，都（dōu）需進行流體溫度、壓力補償。由於流體種類的不同，補償（cháng）的目的（de）也不盡相（xiàng）同；由於溫度（dù）和壓力的變化，對不同原（yuán）理流量計的影響不相同，因此測溫點和測壓點位置（zhì）也有不同的要求，隻有合理地確定這些位置，才有可能準確地補償。
２）天然氣流量計用於溫度（dù）壓力補償（cháng）的測壓（yā）口，宜選在旋渦發生（shēng）體下遊的直管段（duàn）上，應盡可能靠近流量計，但應便於施工和維修（不能選在旋渦體（tǐ）上遊的直管段上）。測溫口應選在測壓口下遊１５０～２００ｍｍ處。
３）差壓流量計（jì）用（yòng）於溫度壓力補償的測壓點，應（yīng）選在差壓正端取壓口處；測溫點一般選在差（chà）壓裝置（zhì）下遊５Ｄ～１５Ｄ處，並假設差壓口上遊和下遊的（de）流體溫度是相同（tóng）的（de）。如果是非理想氣體，而又需要計量（liàng）精準，且（qiě）上遊（yóu）取壓口和（hé）差壓裝置下遊測溫處又存在較大（dà）的壓力損失（shī），則可采用焦耳－湯姆遜係數計算上遊取壓口到下遊溫口處的（de）相應溫差△Ｔ。
４）基於絕熱膨脹等焓變化的原理（lǐ），利用蒸汽性質表，可方便地求取適用於蒸汽的焦耳－湯姆遜係數（shù）。
５）渦輪流量計用於溫度（dù）壓力補償的測壓點，宜設在渦輪葉輪前取壓口處；測溫口應選在葉（yè）輪（lún）下遊段，離葉（yè）輪的距離應小（xiǎo）於５Ｄ。

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