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三氣的計(jì)量和儀表

三氣的計(jì)量和儀表

煤氣、天然氣和水蒸氣（以下簡(jiǎn)稱三氣）的計(jì)量，是存在了多年的棘手計(jì)量課題。由于計(jì)量手段不利，再加上管理方面的原因，不僅計(jì)量糾紛經(jīng)常出現(xiàn)，而且國(guó)家每年還需拿出巨額資金用于煤氣、天然氣供、銷差額的“合法”補(bǔ)貼。隨著環(huán)保事業(yè)的發(fā)展和百姓生活水平的提高，工業(yè)城鎮(zhèn)居民用氣的數(shù)量正在與日俱增，由此，科學(xué)地解決煤氣、天然氣和供熱蒸汽的計(jì)量問題，就越發(fā)顯得重要起來。
    一、 能源三氣的現(xiàn)狀
    我國(guó)城鎮(zhèn)所使用的煤氣，主要是焦?fàn)t煤，其次為油制煤氣。在冶金行業(yè)，除焦?fàn)t煤氣外還有高爐煤氣，在機(jī)械行業(yè)則有發(fā)生爐煤氣、在化工行業(yè)有水煤氣。焦?fàn)t煤氣和油制煤氣的主分成份是氫氣、甲烷和一氧化碳。煤氣中含有萘、銨的水化合物和焦油。這些組份很容易從煤氣中分離出來而在管道內(nèi)壁和管內(nèi)其他構(gòu)件表面上凝結(jié)并聚集起來，使得已有的多種流量測(cè)量?jī)x表都無法正常工作?？梢哉f，煤氣的制造、輸送及工業(yè)用氣的計(jì)量難題一直未得解決。以往**勉強(qiáng)在用的計(jì)量手段是孔板，因孔板“積污”問題嚴(yán)重，使用過程中必須經(jīng)常進(jìn)行除污處理，這種情況下，計(jì)量準(zhǔn)確度也就難以定量評(píng)估了。目前許多制氣、用氣單位，對(duì)焦?fàn)t煤氣干脆就沒有進(jìn)行計(jì)量。
    天然氣有氣井天然氣和油氣伴生天然氣，既是上等燃料，又是化工原料。對(duì)天然氣的計(jì)量有兩種狀況：一是加工處理前非潔凈天然氣的計(jì)量，一是加工處理后潔凈天然氣的計(jì)量。非潔凈天然氣中往往夾帶有液體、固體顆粒和其他可能會(huì)對(duì)測(cè)量?jī)x表造成污染的析出物，給計(jì)量帶來很**煩，因而一直沒有計(jì)量效果令人滿意的流量?jī)x表，孔板、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是目前在用的主要計(jì)量手段。對(duì)潔凈天然氣的計(jì)量，本來不應(yīng)有多大困難，但是由于處理技術(shù)欠佳及集輸管道不干凈等原因，集輸過程及送到用戶的天然氣，有時(shí)也是不潔凈的。目前，我國(guó)對(duì)潔凈天然氣的計(jì)量手段主要還是孔板。渦街和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)只在較小管徑上有所使用。渦輪、超聲流量計(jì)尚處于起步試用階段。
    蒸汽、包括飽和蒸汽和過熱蒸汽，使用非常廣泛。飽和蒸汽的計(jì)量難點(diǎn)在于，一是蒸汽干度的修正及其可能出現(xiàn)的汽水兩相流測(cè)量問題不好解決，二是飽和蒸汽的用戶多為中、小企業(yè)，用汽量波動(dòng)幅度太大，計(jì)量?jī)x表的性能難以適應(yīng)。以上兩種原因，再加上儀表自身性能的缺陷，造成測(cè)量誤差過大。過熱蒸汽計(jì)量的麻煩要小于飽和蒸汽。蒸汽現(xiàn)用計(jì)量手段，除傳統(tǒng)的孔板、噴嘴以外，還有渦街、阿紐巴等。其中溫度較高、管徑較大的蒸汽計(jì)量，目前主要還是孔板、噴嘴這一傳統(tǒng)計(jì)量手段。
    二、 孔板計(jì)量的弊病
    從我國(guó)目前能源三氣計(jì)量現(xiàn)狀來看，作為煤氣、天然氣、蒸汽管道集輸與工業(yè)用氣（汽）的計(jì)量手段，大量使用的還是孔板，直徑在DN200mm以上的場(chǎng)合尤為如此。
    使用孔板計(jì)量的弊病，是業(yè)內(nèi)人士早已取得共識(shí)的問題，為引起更大范圍的關(guān)注，為有益于推廣使用測(cè)量新技術(shù)，改善如上“三氣”的計(jì)量現(xiàn)狀，這里還有必要就這一老問題予以重提。
    1、孔板存在著不可避免的“銳邊磨蝕”和“積污”問題。測(cè)量原理決定了，孔板從安裝使用之日起，實(shí)際流出系數(shù)便在**天變大（儀表指示值越來越偏低），在流體較臟和流速較高的場(chǎng)合，這種變化往往是很驚人的。有人做過專門的調(diào)查，一個(gè)新制造的符合標(biāo)準(zhǔn)要求的孔板，在安裝使用一段時(shí)間之后拆下來重新進(jìn)行檢查，原來標(biāo)準(zhǔn)要求的節(jié)流孔應(yīng)當(dāng)保持尖銳的邊緣被磨鈍了：在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)平面度、表面粗糙度要求很高的孔板端面積結(jié)了許多污染物，用于測(cè)量高含濕氣體和較臟污的流體時(shí)，在靠近孔板的死水區(qū)還積聚了液體和固體物質(zhì)。由于孔板流出系數(shù)受入口邊緣銳度及“積污”的影響很大，其結(jié)果使本來安裝時(shí)流出系數(shù)不確定度為±0.6%的孔板,流出系數(shù)一下增大了百分之幾。據(jù)國(guó)外專業(yè)雜志報(bào)導(dǎo),在流體臟、流速高的場(chǎng)合，因“銳緣磨蝕”和“積污”而使流出系數(shù)增大百分之十幾的也不足為怪。
    2、孔板量程比太小，在中雷諾數(shù)區(qū)域，只有3～4，而用戶實(shí)際用氣（汽）量的波動(dòng)幅度往往卻要大得多?？装逵?jì)量特性決定了，其實(shí)際流出系數(shù)是隨被測(cè)流體雷諾數(shù)Re的變化而變化的。特別是在雷諾數(shù)5×103
    3、孔板的管路直管段長(zhǎng)度及孔板安裝的規(guī)范性要求高，因?yàn)楣艿郎祥y門、彎頭、縮徑、擴(kuò)徑、分管、會(huì)管等，往往又是不可避免的，所以因直管段長(zhǎng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求和因孔板安裝不規(guī)范而造成的附加測(cè)量誤差，或大或小總是存在的（如時(shí)?=0.70,上游在不同平面上有兩個(gè)彎頭,則直管段長(zhǎng)度應(yīng)為管直徑的62倍）。這種誤差的偏差方向，需視情況具體分析，但偏差的量值往往也是非常驚人的。有資料可查，±0.5%甚至更大些也是不足為奇的。
    值得提及的一個(gè)問題是，有一種在線可更換式活動(dòng)孔板已在一些計(jì)量場(chǎng)合使用。無疑就改善測(cè)量精度而言，使用在線可更換活動(dòng)孔板，在一定程度上可以控制減小因“磨蝕、“積污”而造成的測(cè)量偏差，但是并不能完全消除這種測(cè)量偏差（總不能頻繁地進(jìn)行更換或清洗），而孔板的其它弊病也是依然存在。不僅如此，可更換孔板的安裝附加誤差也很難把握，密封問題，特別是高差壓下的內(nèi)漏問題，更是不能令使用者放心。
    綜合上述分析，有充分的理由斷言，使用孔板（包括在線活動(dòng)孔板）的實(shí)際測(cè)量偏差，往往要比孔板標(biāo)定（干標(biāo)或濕標(biāo)）給出的誤差范圍大得很多，多數(shù)情況下則是賣方吃虧。所以，孔板計(jì)量不公平，以孔板作為貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)結(jié)算計(jì)量手段的現(xiàn)狀，必須盡快改變。
    三、 對(duì)改善能源三氣計(jì)量手段的探討
    鑒于孔板計(jì)量的嚴(yán)重弊病，隨著流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，近十幾年來，若干新型或改進(jìn)型流量測(cè)量?jī)x表已陸續(xù)進(jìn)入了三氣測(cè)量領(lǐng)域。然而，由于三氣計(jì)量條件的特殊性，也由于這些儀表計(jì)量與使用性能的局限性，雖然它們?cè)谀承┯?jì)量場(chǎng)合也取得了較好的計(jì)量效果，但就三氣測(cè)量領(lǐng)域而言，“孔板唱主角戲”的局面一直未能改變。去年大連索尼卡公司推出了一種內(nèi)文丘里管流量計(jì)，它的測(cè)量原理與應(yīng)用實(shí)踐表明，這種新一代差壓式流量計(jì)，完全克服了孔板計(jì)量的種種弊病，對(duì)三氣的計(jì)量條件具有很好的適應(yīng)性。下面就幾種可能取代孔板用于三氣計(jì)量的測(cè)量手段予以簡(jiǎn)要分析。
    1、 熱（線）式氣體質(zhì)量流量計(jì)
    恒溫差式氣體質(zhì)量流量計(jì)，從原理上講可以用于各種氣體，包括煤氣、天然氣的流量測(cè)量，但實(shí)際它只適宜測(cè)量工況穩(wěn)定、干燥的清潔氣體，特別不適宜測(cè)量臟污和高含濕氣體。
    首先，測(cè)量原理決定了，被測(cè)介質(zhì)的熱物性差異，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響極大。為此儀表需用實(shí)測(cè)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)際使用時(shí)，因被測(cè)介質(zhì)組分變化而造成的使用附加誤差在所難免，并難以定量評(píng)估。
    其次，它不適宜測(cè)量臟污氣體，氣體中的含水不能太大，介質(zhì)中也**不能出現(xiàn)液體。如果在實(shí)測(cè)氣流中一旦出現(xiàn)有可能將探頭敏感元件糊住的糊狀物質(zhì)、特別是出現(xiàn)水滴或其他冷凝液，因介質(zhì)對(duì)敏感元件冷卻效應(yīng)的驟然變化，將造成難以估量的測(cè)量誤差，甚至使儀表無法正常工作。
    再次，傳感器直接測(cè)出的是管道內(nèi)某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)位置上的氣體流速，將其換算成管內(nèi)流體的流量時(shí)，與管內(nèi)氣體的流速分布狀況有關(guān)——取決于雷諾數(shù)和管壁粗糙度，如采用固定不變的計(jì)算因子，由此而帶來的誤差也是在所難免的。
    2、 阿紐巴流量計(jì)
    阿紐巴（也稱均速管還有其它名稱）流量計(jì)的測(cè)量原理與測(cè)速畢托管完全相同，是實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量的畢托管，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、壓損小，用于大管徑測(cè)量時(shí)，相對(duì)價(jià)格便宜，除用于測(cè)量水，也用于測(cè)量氣體和蒸汽。
    阿紐巴的測(cè)量原理及流量計(jì)算方法，決定了它不可能有理想的測(cè)量準(zhǔn)確度（流量系數(shù)不確定度為1%），工況條件變化較大時(shí)，實(shí)際測(cè)量誤差會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)標(biāo)定值。流體對(duì)迎面取壓孔的邊緣磨損也會(huì)使流量系數(shù)逐漸發(fā)生改變，這與孔板銳邊磨蝕相似，造成性能不穩(wěn)定。測(cè)量臟的氣體時(shí)，取壓孔容易堵塞，這不但使流出系數(shù)發(fā)生改變，有時(shí)還會(huì)難以正常工作。近年來改進(jìn)型的阿紐巴雖然在抗磨損、抗堵塞方面有了一定進(jìn)步，但仍難以從根本上解決問題，焦?fàn)t煤氣和非潔凈天然氣等臟污氣體測(cè)量是**不宜使用的。阿紐巴只適用于測(cè)量介質(zhì)比較干凈、工況比較穩(wěn)定且勿需高準(zhǔn)確計(jì)量的場(chǎng)合。
    3、 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)
    旋進(jìn)旋渦式流量計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，耐用并可測(cè)高含濕氣體和其他較臟污的氣體，但測(cè)量精度較低，不含溫度、壓力修正為1.5%左右。旋進(jìn)旋渦由于有螺旋形葉片構(gòu)成的起旋器，氣體流過起旋器造成的壓損太大，工況壓力低、對(duì)壓損要求較嚴(yán)的場(chǎng)合不便使用：其次測(cè)量的氣體流速不能太低，否則起旋器不能起動(dòng)會(huì)形成測(cè)量盲區(qū)（目前用于天然氣計(jì)量的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)就存在著小流量不計(jì)量的計(jì)量缺陷）。用于測(cè)量煤氣等臟污氣體時(shí)，污物有可能在起旋器中積垢和將振動(dòng)頻率檢測(cè)器糊住也是一個(gè)很大的問題。
    4、渦街流量計(jì)
    渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，測(cè)量精度（不含溫度、壓力修正），液體為0.5-1%,氣體、蒸汽為1-1.5%,量程比較寬，一般為20：1，近幾年來渦街用于測(cè)量蒸汽，在DN200mm以下，發(fā)展較快，也有將其用于天然氣計(jì)量的。
    渦街流量計(jì)使用的局限性主要有以下幾點(diǎn)：
    （1）受檢測(cè)原理限制，要求測(cè)量的流動(dòng)雷諾數(shù)下限較高，氣體流速一般應(yīng)大于4m/s，流速低了測(cè)量精度降低甚至?xí)斐尚×髁坎挥?jì)量。再有，在靠近強(qiáng)烈振動(dòng)場(chǎng)的環(huán)境下，工作可靠性也有問題。
    （2）受檢測(cè)原理限制，測(cè)量管徑不能太大（大管徑在較低流速下，振動(dòng)旋渦頻率過低會(huì)造成頻率信號(hào)丟失，目前制造廠家成熟技術(shù)的產(chǎn)品，均在DN300mm以下），受信號(hào)檢測(cè)器耐溫能力限制，被測(cè)介質(zhì)溫度不能太高，宜在350℃以下。
    （3）不適宜測(cè)量煤氣、非潔凈天然氣等可能對(duì)頻率信號(hào)檢測(cè)器造成嚴(yán)重污染的臟污流體。
    （4）對(duì)入口管路直管段長(zhǎng)度的要求高（稍高于孔板的要求），達(dá)不到安裝條件則要產(chǎn)生較大的附加測(cè)量誤差。
    5、氣體渦輪流量計(jì)
    精密氣體渦輪流量計(jì)具有0.2-0.5%的測(cè)量精度，可用于各種清潔氣體，包括潔凈天然氣的計(jì)量，國(guó)外也有將其用于天然氣貿(mào)易結(jié)算計(jì)量的。
    由于渦輪流量計(jì)的測(cè)量元件是轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，并使用了軸承，故要求所測(cè)流體必須潔凈，在使用過程中還應(yīng)勤于校準(zhǔn)。顯然，渦輪流量計(jì)用于非潔凈天然氣和煤氣的計(jì)量是不可行的，用于潔凈天然氣的計(jì)量時(shí)，必須保證氣體清潔，用于新開通不久的天然氣管道時(shí)，因管路不干凈，渦輪流量計(jì)往往難以保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
    6、氣體超聲波流量計(jì)
    氣體超聲波流量計(jì)近幾年在國(guó)外有了較快的發(fā)展，并已開始試用于中大管徑天然氣的貿(mào)易結(jié)算計(jì)量，我國(guó)對(duì)DN200mm-400mm的進(jìn)口氣體超聲流量計(jì)也有了少量的試用。中大口徑的多聲道氣體超聲流量計(jì)，精度可優(yōu)于0.5%，但價(jià)格過于昂貴，計(jì)量的可靠性也有待于實(shí)踐的檢驗(yàn)。較小口徑的單聲道氣體超聲流量計(jì)測(cè)量精度偏低，價(jià)格不便宜。
    除價(jià)格問題以外，氣體超聲流量計(jì)在使用條件上也有其局限性，主要是；
    （1）被測(cè)氣體必須清潔，保證不能對(duì)探頭造成污染，所以它不宜用作煤氣和非潔凈天然氣的計(jì)量。
    （2）被測(cè)氣體的密度及管內(nèi)操作壓力不能太低，。較大管徑時(shí)尤為如此，所以它也不宜用于低壓大管道氣體的計(jì)量。
    （3） 在具有高頻振動(dòng)噪聲的場(chǎng)合，超聲流量計(jì)有時(shí)會(huì)不能正常工作。
    綜上，從性能、價(jià)格兩方面考慮，在我國(guó)將多聲道氣體超聲流量計(jì)逐步地用于大管徑和較大管徑的清潔天然氣的貿(mào)易結(jié)算計(jì)量具有一定的現(xiàn)實(shí)性，但是要將其普遍用于天然氣的集輸與工業(yè)用氣計(jì)量則是不實(shí)現(xiàn)的。
    7、 彎頭流量計(jì)
    彎頭流量計(jì)又稱彎管流量計(jì)，它是利用流體通過彎頭弧形通道時(shí)在彎頭外側(cè)半徑與內(nèi)側(cè)半徑之間形成的靜壓力差（差壓）與平均流速之間的定量關(guān)系而測(cè)量流體流量，因而也是一種差壓式流量計(jì)，多用于測(cè)量氣體。近幾年來在我國(guó)有了一定的發(fā)展。彎頭流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是測(cè)量精度低，流量系數(shù)不確定度一般為4%，且不宜測(cè)量低壓低流速流體。彎頭流量計(jì)測(cè)量精度低是由其測(cè)量原理決定的：流體在彎頭處的流場(chǎng)速度分布異常復(fù)雜，且易老化，流量系數(shù)對(duì)流動(dòng)雷諾數(shù)及管壁粗糙度的變化非常敏感，流體流入彎道前的非軸對(duì)稱速度分布對(duì)流量系數(shù)的影響也遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)孔板。另外，用于測(cè)量氣體時(shí)，取壓截面上的密度變化如何修定，也是一個(gè)難以確切掌握的變量。對(duì)流量系數(shù)實(shí)流標(biāo)定并采用計(jì)算機(jī)軟件修正技術(shù)，可以提高彎頭流量計(jì)的測(cè)量精度，但是，除了雷諾數(shù)變化便于動(dòng)態(tài)修正以外，上述其它變量因素都很難用軟件的修正方法予以解決。從理論上說，如用實(shí)測(cè)介質(zhì)在實(shí)測(cè)工況范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定實(shí)際測(cè)量時(shí)，再按標(biāo)定結(jié)果回歸出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，這樣可獲得滿意的測(cè)量精度，然而，就一般的工業(yè)計(jì)量而言，這往往是難以辦到的。因此，彎頭流量計(jì)只適合用于工況變化幅度不大、對(duì)測(cè)量精度要求不高、能有較好測(cè)量重復(fù)性即可的場(chǎng)合。
    8、內(nèi)文丘里管流量計(jì)
    內(nèi)文丘里管流量計(jì)是大連索尼卡電子有限公司自行開發(fā)的**技術(shù)產(chǎn)品，是集經(jīng)典文丘里管、環(huán)形孔板和耐磨孔板優(yōu)點(diǎn)于一體的新一代差壓式流量測(cè)量?jī)x表。內(nèi)文丘里管的技術(shù)特點(diǎn)是：
    （1）測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。由于無孔板那種銳邊磨蝕和積污問題，在測(cè)量過程中流出系數(shù)能長(zhǎng)期保持恒定。
    （2）對(duì)被測(cè)介質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)?？梢詼y(cè)量各種液體、氣體積蒸汽，包括含有固體顆粒流體和高含濕氣體。
    （3）測(cè)量范圍度寬。量程比大于10：1，甚至量程比達(dá)15：1，25：1，流出系數(shù)線性度仍低于0.4%。
    （4）對(duì)安裝直管段長(zhǎng)度要求低，*短直管段長(zhǎng)度只需孔板的1/8左右，一般為1-3D，因而能有效避免或減小測(cè)量系統(tǒng)的附加測(cè)量不確定度。
    （5） 壓力損失小，約為孔板的1/3-1/5。
    內(nèi)文丘里管的優(yōu)良計(jì)量特性，使得它成為取代孔板的理想換代產(chǎn)品，適宜普遍用作各種煤氣、天然氣和水蒸汽的計(jì)量。內(nèi)文丘里管的缺點(diǎn)是，欲獲得高的測(cè)量精度必須同時(shí)配置性能優(yōu)良的差壓變送器，不過做到這一點(diǎn)，今天并無多大困難。
    ?結(jié)束語
    我國(guó)的能源三氣計(jì)量現(xiàn)狀急需盡快改善?？刹捎玫母倪M(jìn)測(cè)量手段，不可能，也不應(yīng)當(dāng)采取一刀切的做法。決策者根據(jù)自己的測(cè)量條件和改善計(jì)量效果的需要，對(duì)可供選擇的多種計(jì)量手段進(jìn)行**、客觀地分析比較，相信是會(huì)做出正確選擇的。
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