《天然气计量技术》课件PPT课件.ppt

天然气计量技术 教师 江小玲 1 一 计量的概念计量是指为保证单位统一 量值准确可靠的测量 或者说是以实现单位统一 量值准确可靠为目的的测量 二 计量的特点准确性准确性表征的是计量结果与被计量与量的真值的接近程度 一致性计量单位的统一 溯源性所有的量值都必须由相同的基准 或标准 传递而来 法制性计量本身的社会性就要求有一定的法制保障 1 1计量基本知识 第一章绪论 2 三 计量器具的使用 各级计量标准器具 必须经有关的各级人民政府计量行政部间主持考核合格后 方能使用 政府有正式使用的强制管理的计量器具都必须经过检定 并不应超过检定的有效期 必须严格按照技术条件中所规定的使用规则和操作要求使用 对于使用计量标准器具的专业计量检定人员 必须经过严格的考核计量标准器具必须在正常使用条件下使用 所谓正常使用条件 亦称额定或标称工作条件 是根据计量器具的原理 设计 结构以及用途等所规定的必须满足的条件 3 四 计量误差 1 计量误差的定义 误差的定义所谓误差就是正确值和错误值之差 可用下式表示 误差 错误值 正确值这个公式称之为误差的逻辑方程式 对于具体问题的误差公式 可根据逻辑方程式和实际情况来定 例如在长度计量中 测量某一尺寸的误差公式为 误差 测得尺寸 真实尺寸式中的测得尺寸含有误差 可认为是 错误值 而真实尺寸不含误差 可认为是 正确值 计量误差计量误差是指计量值与被计量量的真值之差 4 2 误差表示方法 测量误差可以用绝对误差和相对误差表示绝对误差 绝对误差测量结果和被测量真值之间的差 即 绝对误差 测量结果 被测量的真值测量结果是由测量所得到的被测量值 绝对误差通常称为误差 即误差 测得值 真实值误差可能是正值或负值 5 真值是一个理想的概念 一般是不知道的 但在某些特定情况下 真值又是可知的 量的真值 是表示一个量在被观测时 该量本身所具有的真实大小 它有下列几种情况 理论真值 如三角形的内角和为180 和一个整圆的周角为360 等 国际公认的真值 如保存在国际计量局的国际千克基准和国际米基准 按定义规定在特定条件下的值可以认为是真值1千克和1米 在实际测量中 常用的被测的量的实际值或巳修正过的算术平均值用来代替真值 所谓实际值是指满足规定准确度的用来代替真值使用的量值 通常在检定中 高一等级的计量标准所得的量值称为实际值 6 在实际工作申 经常使用修正值 即将测得值加修正值后可得近似的真实值修正值 真实值 测得值真实值 测得值 修正值修正值与误差值的大小相等而符号相反 测得值加修正值后可以消除该误差的影响 但必须注意修正值本身也有误差 因此修正后 7 相对误差 测量的绝对误差与被测量的真实值之比值称为相对误差 相对误差是无因次 通常以百分数 来表示 例如 用水银温度计测得某一温度为20 3 该温度用更高一级精度的温度计测得值为20 2 后者精度高 故可认为接近真实温度 而水银温度计测量的绝对误差为0 1 其相对误差为 对于相同的量 绝对误差可以表示准确度的高低 但对于不同的被测量 绝对误差就不如采用相对误差更为确切 8 引用误差引用误差指仪表指示值的最大绝对误差 max与测量范围上限值或量程之比值 用百分数表示 即式中 为引用误差 x 测量值x0 实际值 它用来表示仪表的准确度 9 3 计量误差的来源与分类 误差的来源在测量过程中 误差产生的原因可旧纳为几个方面 测量过程误差标准器误差 标准器是提供标准量值的器具 如标准体积管 标准温度计 标准砝码等 而它们本身体现出来的量值 不可避免地含有误差 仪器误差 凡是用来直接或间接将被测量和测量单位比较的设备 称为仪器或仪表 如天平 压力表 流量计 温度计等 仪器 仪表本身都具有误差 附件误差 仪器的附件及附属工具存在的误差 也会引起测量误差 如玻璃管液位计的垂直度 换向阀的灵活程度与严密性等 10 方法误差由于用不十分精密的测量方法或使用近似的经验方式进行计算以及数据处理而造成的误差 如在油罐容积检定过程中用钢卷尺测量油槽的圆周长进而计算其直径时 由于取值的不同 将会引起直径计算的误差 人员误差由于测量者受操作熟练程度 分辨能力的限制 因工作疲劳引起的视觉器官的生理变化 固有习惯引起的读数误差 以及精神上的因素产生的一时疏忽等所引起的误差 11 误差的分类 系统误差 规律误差 产生的原因 主要是仪表本身的缺陷 观察者的习惯和偏向 单因素的环境条件变化等 疏忽误差产生原因是测量者在测量过程中的疏忽大意 偶然误差在同样的测量条件下 反复测量 每次结果均不重复的误差 这种误差的原因是偶然原因所引起的 12 4 精度反映测量结果与真实值接近程度的量 称为精度 它与误差的大小相对应 因此 可用误差大小表示相应的高低 一般所说 精度 是一个含义笼统的广义名词 精度高的误差小 精度低的误差大 精度可分为 精密度 简称精度 表示测量结果中的随机误差大小的程度 这是指在一定条件下进行多次测量时 所得测量结果之间符合的程度 精密度常用随机不确度来表示 正确度 表示测量结果中的系统误差大小的程度 这是指在规定的条件下 在测量中所有系统误差的综合 理论上对已定系统误差可用修正值来消除 对未定系统误差可用系统不确定度来估汁 准确度 精确度 是测量结果中系统误差与随机误差的综合 表示测量结果与真值的一致程度 准确度反映了测量的各类误差的综合 13 1 2天然气流量计量 一 概念天然气流量计量是由天然气用流量计 或装置 本体 二次仪表 或检测补偿计算装置 以及天然气组分分析系统构成 具有测量 分析 计算和积算设备所组成的完整体系 二 天然气流量计量意义天然气计量数据就作为供需双方之间贸易结算的依据 天然气流量计量数据也是衡量单位生产技术水平的一项重要基础资料 14 天然气为一种自然界存在的 有高度压缩性 高度膨胀性 密度较低的以碳氢化合物为主的混合气体 天然气来自地表深处的岩缝中 天然气中最主要的成分是甲烷 甲烷是最轻的一种碳氢化合物 而不同构造中的天然气组分略有不同 通常 天然气也含有其他的碳氢化合物 如乙烷 丙烷等 天然气也可含有少许非碳氢化合物气体 如氦 氮和二氧化碳等 是一种易燃气体 三 天然气的组成及性质 15 四 天然气流量测量常用参数 流量测量属于多参数间接测量 流量测量的准确度除取决于基于不同测量原理的主参数测量准确度外 还取决于对流量测量有较大影响的辅助参数测量的准确度 常用的流体参数有下列7个 流体压力因为流体具有流动性 对容器壁表面就有一种作用力 这种力称之为压力 工程上常把单位面积上作用的力 压强 称作压力 单位为Pa N m2 常叫作帕斯卡 压力是流体的物理参数 它影响流体的体积流量测量和质量流量测量 对于气体 其影响更为显著 因为与气体流量测量有关的物理参数 压缩因子 等熵指数和粘度都与压力有关 16 流体温度温度是表征流体物质冷热程度的物理量 热力学温度亦称绝对温度 开氏温度 是用热力学温标标注的温度 温度与压力一样 同样是流体主要物理参数之一 影响流体体积流量测量和质量量流量测量 对气体流量测量也同样影响压缩因子 等熵指数和粘度 同时 还要引起流量计材质几何尺寸的变化而降低流量测量的准确度 流体密度流体的密度定义为单位体积的流体所具有的质量 参数符号为 单位为kg m3 公斤 米3 各种流体的密度都随着流体的压力和温度的改变而变化 气相流体 压力和温度的改变对其密度的影响更大 在流体流量测量过程中 测量流体物质的密度是必不可少的 并且应当准确测量或说明流体物质属性 组分和所处的压力及温度状态 17 流体粘度流体粘度是流体内分子之间对剪切应力阻抗的一种量度 是表征流体内摩擦力的一个参数 粘度分动力粘度和运动粘度 动力粘度 动力粘度有时也称绝对粘度 参数符号用 动力粘度的单位为Pa s 运动粘度将动力粘度除以流体密度 参数符号用 运动粘度单位为m2 s 在许多气体流量测量中 粘度的变化没有特别关系 影响甚微 通常取测量点的平均流动压力和平均流动温度下的粘度值 或者取常温 常压下的粘度值 粘度影响雷诺数 间接影响流出系数 即使粘度有较大变化 但对流出系数的影嘶响也是很微的 通常可以忽略不计 18 雷诺数所谓雷诺数 在流体力学相似理论中 它是表征流体在流动时的惯性力与粘性力 内摩擦力 之比 是一个表征流动介质流动特性的无量纲量 等熵指数等熵指数是气相流体差压式流量计测量流量的特有物性参数 符号用k 压缩因子流体是具有压缩性的物质 通常认为液体是不可压缩的 气体是压缩性 膨胀性大的物质 19 目前广泛采用的是基于测量流体在单位时间里通过某一横截面的体积 质量或能量三种方式的流量测量 体积流量测量测量流体体积流量的流量计 国内外目前广泛使用的主要仪表有下述3类 差压式流量计差压式流量计是流体流量测量中使用得最为普遍的一种 它是基于伯努利原理 适用于稳定流 利用流体在有压能作用下充满管道流动时 遇到管道的缩颈部件发生节流产生差压 或测量总压与静压之间的差压作为测量原理制作的 五 天然气流量测量方法 20 速度式流量计以直接或间接测量封闭管道中满管流流体流动速度而得到流体流量的流量计通常叫做速度式流量计 如涡轮流量计 超声流量计 涡街流量计和旋进旋涡流量计等 容积式流量计容积式流量计是直接测量封闭管道中满管流流体流过的容积值来测量流体流量的流量计 如旋转容积式流量计 气体腰轮流量计等 21 质量流量测量质量流量计可以分为直接式质量流量计和推导式质量流量计两大类型 将流体在标准或工作状态条件下的体积流量测出来 同时测量出流体在该流动状态条件下的密度 就可求出流体流过流量计的质量流量 为了准确计量 对于多组分流体应分析出组分值和测量出工作状态条件下的压力和温度 以便进行体积流量 以便进行体积流量 质量流量之间的相互转换计算 22 1 3测量仪表品质指标一 准确度 精确度 仪表的准确度用绝对误差和相对误差表示都存在不足之处 例如 第一只表量程 0 250 测量200 绝对误差1 相对误差0 5 测量10 绝对误差0 9 相对误差9 第二只表量程 0 100 测量100 绝对误差1 相对误差1 测量10 绝对误差0 9 相对误差9 仪表量程的相对误差来表示仪表的准确度或精确度 23 1 仪表的允许误差根据仪表使用要求 规定一个正常情况下允许的最大误差 允许误差 式中 max 为最大绝对误差a b 为仪表量程 24 2 精度等级 去掉允许误差的 号及100 号的数字值 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差划分的若干等级 因此 仪表的精度等级与仪表允许误差的大小有关 目前 我国生产的仪表常用的精度等级 0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 假如某台测量仪表的最大允许误差为 1 5 则该仪表的精度为1 5级 25 例3 现有0 5 0 300 和1 0级 0 100 两只温度表 用它们来测量80 的温度 试问使用哪一只较为合适 解 使用0 5级 0 300 表测量 max 300 0 5 1 5 max 1 5 80 100 1 875 使用1 0级 0 100 表测量 max 100 1 1 0 max 1 0 80 100 1 25 计算结果表明 选用1 0级表比选用0 5级表的相对误差反而小 所以选用1 0级 0 100 的温度表更为合适 26 注意事项 a 根据仪表校验数据来确定仪表的精度等级量 仪表的允许误差应该大于仪表校验所处的最大允许误差 b 根据工艺要求来选择仪表精度等到级时 仪表的允许误差应该小于工艺上所允许的最大误差 仪表的精度等级可用不同符号形式标志在仪表的面板上 如 或 等 27 二 变差 变差 在规定条件下对同一参数进行重复测量时 各次读数之间存在着差值 其中最大差值称为仪表的变差 实际工作中 测量变差是对同一被测参数从不同方向进行正反行程测量 读数中两者最大差值绝对值对仪表量程范围的百分数 称为仪表的变差 输出 反行程 正行程 输入 要求 仪表的变差不能超出仪表允许的误差 否则 应及时修理 28 三 灵敏性 灵敏度 灵敏限 灵敏度 仪表指针的线位移或角位移 与引起这个位移的被测参数变化量之比 例 压力表 灵敏限 是指能引起指针发生动作的被测参数的最小变化量 要求 仪表的灵敏限数值应不大于仪表允许绝对误差的一半 29 第二章流量计 2 1概述一 流量的定义流量单位时间内流过管道某一截面的流体数量 流量按测量目的分为累积流量和瞬时流量 其仪表分为累积流量计和瞬时流量计 累积式流量计用于测量一段时间内流过管道的流体总量 在数值上等于瞬时流量对时间的积分 二 流量的表示1 体积流量Q2 质量流量3 重量流量 30 注意 与温度和压力P有关对液体 P变化 变化小 T变化10 变化1 左右 对气体 P变化10Kpa 变化10 左右 T变化10 变化3 左右 31 2 2差压式流量计 特点 差压式流量计简单 价廉 易于安装和维修 经久耐用 可操作性强 但测量范围较窄 一 组成1 节流装置 节流元件 如孔板 及取压方式总称2 三阀组 引压管3 差压变送器孔板流量计是测量天然气流量中使用得最为广泛的设备 它由产生差压的一次装置 孔板节流装置和二次检测仪表 差压计 压力计 温度计和相关参数仪器仪表加信号引线等组成 32 孔板断面示意图 33 二 节流原理 1 节流现象 液体通过节流装置 在节流装置的上下游之间产生压差的现象 2 节流原理 管道中装有孔板后 流体在接近节流装置量受到节流装置的阻挡 流体流动质点发生倾斜 形成流体收缩 34 根据能量守恒的原理 对于不可压缩的理想流体来说 在管道任一截面上流体的静压能与动能之和不变 即 截面 处流速V2大于截面 处流速V2 根据能量转换定律 截面 处静压力小于截面 处静压力 可见 流体通过孔板后 会产生静压差 孔板装置及压力 流速分布图 35 3 流量方程 目的 明确流量与压差的函数关系 影响因素 方法 先假设流体是理想流体 再修正得实际情况 依据 1 能量守恒定律在流体力学中具体应用 2 连续流动方程经推导得 式中 流量系数 A0 孔板开孔截面积 36 引入压缩因子 令 用 代替 引入修正系数 37 4 标准节流装置 一般场合下 仍以采用孔板多 标准节流装置适用于测量直径大于50mm 雷诺数在104 105以上泫体 而且液体应当清洁 38 1 结构2 原理PX作用下 中心感应膜片位移 膜片与电容固定电极距离改变 电容C1 C2电容值改变 测量电路输出与PX成比例的电信号 5 差压变送器 如电容式差压变送器 39 3 测量电路 当 当 40 8 使用注意事项 适用于测量管道直径大于50mm 清洁流体 在使用中要保持节流装置的清洁 如在节流装置外有沉淀 结焦 堵塞 必须及时清洗 导压管正确安装正确使用三阀组 孔板断面示意图 41 差压式流量计 除了准确测量出主体关键参数差压外 还应准确测量出压力 温度 粘度或流体密度 对于天然气还应准确实时地分析出气体的组分 以便计算其压缩因子 等熵指数等相关参数 同理 速度式和容积式流量计 除了分别准确地测量出流体速度和流体体积外 也应准确地测量出流体的压力 温度等相关参数 42 2 3涡轮流量计 特点 涡轮流量计具有灵敏度高 重复性好 量程比宽 可达到高的准确度 适合流量变化幅度较大的场合 其较宽的量程比 在某种程度上又可降低测量管直径 降低投资 1 结构 图4 10涡轮流量变送器1 壳体 2 前导流器 3 前置放大器 4 磁电转换器 5 涡轮 6 后导流器 7 轴承 43 2 原理 管路中 安装一个可以自由转动叶片 与流体流动方向成一定角度的 轴心与管道中心相同的叶轮 当流体通过叶轮时 其动能使叶轮旋转 流体的流速越高 动能越大 叶轮转速也越高 测出叶轮的转数或转速就可确定流过管道的液体流量 44 3 安装与使用 安装要求 1 一般要求水平安装 避免垂直安装 2 气体涡轮流量计推荐上游至少10D 当有整流器时 整流器出口到涡轮流量计入口端面至少为5D 下游至少5D的直管段 分别从流量计的上 下游端面算起 其内径与流量计公称内径DN之差 一般应不超过的1 3 取压孔的位置 用于静压补偿的取压孔应位于气体涡轮流量计叶片相对应的位置处 如有多个静压取压孔 在气体密度为的最大流速下 其不同取压孔的静压差应小于 静压取压孔一般在流量计本体上 由制造厂商确定 4 测温元件的位置 测温元件应安装在流量计下游 在叶轮下游的内 尽可能靠近流量计 45 特点 精确度高 测量范围宽 没有运动部件 无机械磨损 维护方便 压力损失小 节能效果明显 2 4漩涡流量计 又称涡街流量计 1 卡门试验卡门试验发现 在流体中垂直插入一个非流线型的柱状物体如圆柱物体 当流速增大到一定值时 流线不再沿柱状物体表面附着流动 而是逐渐从柱状物体面上分离出去 从而 引起速度局部增加 压力局部降低 使流线返回旋转而形成旋涡 同时试验发现该旋涡在柱状物体两侧是交替的 周期的 在流量恒定时 向下流动的旋涡是等距离的 这就是涡列形成的原理 46 2 原理由圆柱漩涡发生体形成的卡门漩涡其单列漩涡产生的频率为 式中 f 单列漩涡产生的频率 Hz v 液体平均流速 m s d 圆柱直径 m Sf 斯特罗哈尔系数 47 3 漩涡频率测定 热学法 用铂电阻丝作为频率转换元件 漩涡交替出现在柱状物两侧 流体交替从圆柱体空腔的上下流出 流体在圆柱体空腔中流动将铂丝上的热量带走 铂丝温度下降 电阻值减小 其阻值变化频率与漩涡产生频率相对应 测出铂丝变化频率便可推算出流量 铂丝阻值的变化频率 采用不平衡电桥转换 放大和整形 再转换成4 20mA电流信号输出 48 4 涡街流量计的安装与使用 1 天然气流量变化范围必须在流量计测量范围内 通常对天然气需进行流速及雷诺数的核算 由于产品类型很多 其流速和雷诺数范围与检测柱形状 结构尺寸有关 使用时应针对某一产品要求及推荐的算式进行核算 2 安装直管段由于旋涡流量计是利用流体自然振荡原理而制成的旋涡分离型流量计 所以进入流量计前流体流态十分重要 为保证测量准确 在流量计前后必须安装足够长直管段 必要时需安装整流器以获得充分发展的流场 49 涡街流量计的计量性能基本稳定 一般不需要定期标定 这是由于它与孔板计量装置相似 其机械尺寸是按标准加工 而流量计产生的旋涡的脉冲数仅取决于检测元件几何尺寸和仪表腔体尺寸 而厂家提供的仪表系数又与密度 粘度 温度 压力等无关 50 2 5超声波流量计 特点 无压损 对管路流体特性基本无干扰 属节能型仪表 1 结构 在流量计壳体上斜装有一对超声波换能器 图4 15时差式测量原理图 51 2 原理 当被测气体流速为v 声速为c时 在声程L方向上叠加了流速分量 这样声程L方向的声波速度是由声速和流速的矢量和 利用气体超声波流量计所测得的顺 逆流时间 还可计算超声波在该介质中传播的声速 式中 t1 声波顺流传播时间 t2 声波逆流传播时间 c 声波在管内气体中传播速度 v 流体流速 L 声程长度 52 3 超声波流量计的安装与使用 1 必须安装前后直管段 同时还应该避免介质粘污 腐蚀及噪音引起的准确度下降 上 下游直管段长度要求 2 无旁路的计量管路上 气体超声流量计探头应采用可带压拆卸式探头 更换探头引起的误差一般应控制在流量计允许的范围内 3 双向测量的安装要求在测量双向流的场合 超声流量计的前后直管段长度均应满足上游直管段长度的要求 4 使用前的检验超声流量计在使用前必须检定合格 使用过程中 应按规定进行静态检验 53 2 6腰轮流量计腰轮流量计又名罗茨流量计 是一种计量流经管道的气体流量的容积式仪表 该流量计流量测量范围较宽 对仪表前后直管段要求不高 安装比较方便 1 结构 腰轮流量计的工作过程1 壳体 2 转动轴 3 驱动齿轮 4 腰轮 5 计量室 54 55 2 原理 液体通过流量计时 受到椭圆齿轮的阻挡 从而产生出口压力差 椭圆齿轮在压差的作用下 两齿轮相互交替驱动 并将液体不断排出流量计 每转四分之一圈排出一定体积的液体 测出椭圆齿轮的转速便可确定液体流量的大小 式中 n 椭圆齿轮旋转速度V0 半月型测量室容积 56 3 显示部分 将椭圆齿轮轴的转动 通过传动齿轮系 使机械计数器数字轮转动 显示出流过流量计的体积值 要实现流量信号远距离集中显示 可以在表头上装干簧继电器 磁电转换装置等 将椭圆齿轮的转数转换成电脉冲信号的数量与频率 速比调整 减速装置 积算 指示 远传 S N 椭圆齿轮 减速后的齿轮转动时其磁铁随之转动 当磁铁靠近干簧继电器时 干簧继电器两极被磁化吸合在一起 而当磁铁转离时 两电极会在自身弹性力作用下分开 因而齿轮每转一周 干簧继电器开关一次 使电磁计数器运作一次 57 2 7流量计校验 图4 16用标准容器的水流量校验装置1 水池 2 泵 3 高位水箱 4 溢流管