第9章补充：常用流量测量仪表

1、常用流量测量仪表常用流量测量仪表v天然气流量，可以是体积流量，也可以是质量流量，还可以是能量流量。v正在制定的正在制定的ISO标准标准流量计选用指南流量计选用指南列列举了举了10类流量计，它们是类流量计，它们是:v1.差压式2.其它差压式3.容积式（定排量式）4.转速式5.振荡频率式6.电磁式7.超声式8.质量式9.热式10其它（混杂式） v标准节流装置的型式有标准节流装置的型式有标准孔板标准孔板,标准喷咀标准喷咀,标准文丘里管标准文丘里管等。等。v标准孔板流量计是一种差压式流量计，是标准孔板流量计是一种差压式流量计，是一种在天然气流量测量中使用得最为广泛一种在天然气流量测量中使用得最为广泛的

2、流量计。的流量计。v标准孔板流量计由节流装置、信号引线和标准孔板流量计由节流装置、信号引线和二次仪表系统所组成。二次仪表系统所组成。v其二次检测仪表包括：差压计、压力计、其二次检测仪表包括：差压计、压力计、温度计和相关参数检测仪器温度计和相关参数检测仪器 v1.1 工作原理 v充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加增加，静压力降低降低，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流动连续性方程(质量守恒质量守恒定律定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。 流量方程流量

3、方程式中 qm-质量流量，kg/s; C-流出系数； -可膨胀性系数； -直径比，=d/D; d-工作条件下节流件的孔径，m； D-工作条件下上游管道内径，m； P-差压，Pa； -上游流体密度，kg/m3。Pdcqm24124v实测量v 1)d、Dv标准节流件的直径比越小，则流体的压力损失越大v2) v3)P v统计量 v流出系数C v标准节流装置的流出系数是在节流件上游流体为典型紊流下，通过实验取得的。v2) 可膨胀性系数 1.2 组成和安装组成和安装 标准孔板流量计由节流装置、信号引线和二次仪表系统组成。 大体上可分为一次仪表、二次仪表和上下游直管段。一次仪表一次仪表 一次仪表有孔板及孔

4、板夹持器。根据取压方式不同可分为环室取压、 法兰取压、角接取压和D-D/2取压。 v环室取压有均衡压力 的效果，并能提高测量精度，且压力信号稳定。v SY/T 6143中标准孔板只有法兰取压和角接取压，AGA3号报告只有法兰取压。高级孔板阀1.3 标准化标准化 孔板的使用历史悠久，是所有流量计中唯一一种能标准化的流量计。按标准的要求进行加工、制造和安装就能达到预定的准确度。 标准化的内容有：v孔板加工的要求：孔径、值范围、同心度、表面粗糙度、厚度、开孔厚度e、斜角、边缘G、H和I等；v孔板夹持器，取压方式及取压点位置；v计算公式，各种参数的计算方法，尤其是流出系数的计算方法。标准化标准化孔板流

5、量计属于差压式流量计的一种，其流量测量可遵循节流装置的通用标准及孔板流量计天然气流体计量的专用标准。 孔板流量计的标准有ISO5167、AGA3号报告、GB2624、JJG 640-94和SY/T6143-96。通用标准中以ISO5167为代表，我国的GB2624、 JJG 640都是采用ISO5167。v专用的天然气流量节流装置测量标准中，以美国的AGA No3（ANSI 2530）为代表，而我国有关孔板计量天然气流量的行业标准SY/T 6143亦属于天然气流量孔板专用标准这一类，它与国家标准是一致的，但部分内容参考了AGA No3号报告。v标准孔板流量计的专业标准为中华人民共和国石油天然气

6、行业标准 SY/T 6143用标准用标准孔板流量计测量天然气流量孔板流量计测量天然气流量 。v该标准由国家发展和改革委员会于 2004年07月03日发布， 2004年11月01日起实施。v2006年12月13日，质检总局发布GB/T 2624-2006“用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量”，2007年7月1日实施。 v2008年，SY/T 6143-2004升级为国家标准GB/T 21446-2008“用标准孔板流量计测量天然气流量”。2008年2月13日发布，2008年8月1日实施。 标准化标准化 标准名称SY/T5167-1996ISO/CD 5167AGA3-2000Cd计

7、算公式老STOLZ公式98版RG公式90版RG公式管径范围（D）501000501000孔板开孔直径12.512.511.43值0.20.750.10.750.10.75上游直管段1070D675D6145D下游直管段49D48D2.84.5D19管束整流器上游直管段525D514.5D1.4 孔板流量计的特点孔板流量计的特点v标准孔板结构易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。 v标准孔板应用范围极广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比。全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可应用，一般生产过程的管径、工作状态(压力，温度)皆有产品。 v

8、检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产，便于专业化形成规模经济生产，它们的结合非常灵活方便。v标准型检测件无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是惟一的。 v利用孔板或喷嘴等节流或流量计测量流体流量时，实际量越小，测量结果误差越大 。1.5 孔板流量计的缺点孔板流量计的缺点v1)测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高。v2)范围度窄，由于仪表信号(差压)与流量为平方关系，一般范围度仅3:1。v3)现场安装条件要求较高，如需较长的直管段(指孔板，喷嘴)，占地多。v4)检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障

9、。v5）孔板脏污、磨损和粉尘的沉积对计量准确度影响较大，一般都使计量偏低；v6)压损大，不适于长输管线计量。 天然气计量仪表天然气计量仪表2.1 工作原理 用于天然气流量测量的超声流量计使用的是传播时间法。图4.1 为直射式超声流量计的工作原理示意图。图图4.1 工作原理图工作原理图一、超声流量计的结构 对射式单声道超声流量计的有关计算方法工作原理 在管壁两边安装一对斜角为的超声换能器，两个换能器同时或定时向对方发射和接收对方的超声信号。此时顺流和逆流的接收时间为： cosVCLtUcosVCLtD式中：tD超声波从上游换能器传至下游换能器所需要的时间； tU超声波从下游换能器传至上游换能器所

10、需要的时间； L上下游换能器之间的距离； C超声波声速； V流体沿管径方向的流速； 超声换能器与管径方向的安装角度。工作原理 由上述两式推导出流体流速和流量的计算公式如下：)11(cos2baabttLVAVq 式中：q流体在管道中的工况流量； A管道横截面积。 由此可见，超声流量计的测量精度取决于声道长度L和时间测量准确度。2.2 结构结构 根据换能器多少，目前气体超声流量计有一至六声道流量计；根据超声波在管壁上的反射情况，又可分为直射、单反射和双反射三种。 一、超声流量计的结构插入式单声道超声流量计反射式或叫折射式对射式或叫直射式LFlowXD2.3 计量性能计量性能v大量的测试表明，将多

11、声道超声流量计安装在上游大于20D的直管段，下游大于10D的直管段，且无扰流和超声噪音干扰的理想管路中，超声流量计可以获得0.5%的系统不确定度，甚至可能更高 。典型曲线如下图所示。A.G.A. No.9报告指出超声流量计具有同等计量准确度的双向流检测性能，许多测试和研究证明了这一性能 。v单声道超声流量计一般不用于贸易计量，其在试验室的理想管路中测试误差一般为1%，在条件较好时可以达到0.5%。 计量性能（续）计量性能（续）-0.50-0.40-0.30-0.20-0.100.000.100.200.300.400.500.01000.02000.03000.04000.05000.0600

12、0.07000.0工况流量( m3/h)相对示值误差(%)2.4 计量特性计量特性v工作原理简单，有望成为基准流量计；v测量准确度高，量程比大，一般都是1：20，可达到1：100；v适应性强，上游10D、下游5D；加上表体约20D，占地少；v无可动部件，可直接进行清管作业；v受压力变化影响小，在最低使用压力下校准后，就可在全范围内使用；v为高科技产品，各厂家的产品都有其独特的专利技术，一次性投资高；v多声道，尤其是五声道流量计能适用多种流态；v对有超声干扰的场合慎用。2.5气体超声流量计与其它流量气体超声流量计与其它流量计的性能比较计的性能比较 v1）美国一研究团体从1996年开始将一台8in

13、超声流量计在西南研究院标定后，串联于一个有三块孔板流量计的原有测量系统中，超声流量计安装在两个相距12D的同平面L形弯头后20D，孔板流量计的安装满足A.G.A. No.3报告最低要求。经过19个月的试验表明：超声流量计用于贸易计量是可行的，可以代替孔板流量计，但需要进行实流检定；为避免大的流量误差，需对超声流量计二次仪表的检定给予注意。v2）由Statoil和Ruhrgas发起，Gaz de France参加，旨在收集大口径超声流量计和涡轮流量计现场经验的实验中，将超声和涡轮流量计与孔板串联在一个计量回路，经17个月的运行显示：超声流量计与孔板流量计均未发生任何故障，涡轮流量计在运行了11个

14、月后出现故障。超声流量计和涡轮流量计的计量值与孔板偏差均在0.25%以内。v3）超声流量计相对于孔板流量计而言，其突出的优点尚在于约100:1的量程比，几乎没有截止流量。BG将一台DN450的多声道超声流量计在Bishop Auckand测试装置测试之后，与一台孔板流量计串联在现场的贸易计量管路中。在孔板的正常流量范围，两套系统均能正常计量；当用户使用气量较低时，孔板流量计因为截止流量不能计量，而超声流量计仍能正常计量。 几种主要流量计性能比较：项目孔 板涡 轮 超 声 涡街 量程比 1：3（5）1：501：1001：20压降 大中无中双向流计量 否 否 能否 脏污或湿气测量 不可以 不可以

15、可以 不可以 管道维护不方便不方便方便不方便2.6 标准化标准化随着数字化超声流量计的相对成熟，美国天然气协会于1998年6月出版了用多声道超声流量计测量天然气流量技术报告（A.G.A No. 9），国际标准化组织也于1998年12月颁布了用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量技术报告（ISO/TR 12765），用于规范超声流量计的准确度、功能和测试要求，同时对其计量原理、结构特点作了描述，是临时性的指导准则。我国参照AGA9号报告编写了国标GB/T 18604-2002用气体超声流量计测量天然气流量 ，2002年发布实施。vJJG1030-2007超声流量计检定规程。天然气计量仪表

16、天然气计量仪表 3.1 工作原理工作原理 涡轮流量计是属于速度式流量计。如图5.1所示，其工作原理是在管道中安装一个自由转动、轴与管道 同心的叶轮。当流体流过时，带动叶轮转动，叶轮带动与之相连的齿轮或电磁感应线圈。管道中流体的流速大小与叶轮转速成正比。在实际应用中，涡轮是要求进行实流校准的，流量计算公式如下： 式中：qf工况体积流量,m3/s; N流量计每秒的脉冲数； k流量计仪表系数，s/m3。 kNfq 涡轮流量计原理图工作原理 1叶轮 2轴承 3磁铁 4感应线圈 5壳体 6导向件图图3.1 涡轮流量工作原理图涡轮流量工作原理图3.2 计量特性计量特性v准确度高，一般计量不确定度为0.51

17、.0%，精选涡轮可达到0.25%。v灵敏度高，量程宽，量程可达到1:30。v仪表系数与雷诺数成比例关系而不受介质、压力、温度和流量计的影响，可校正性强。v有可动部件，易于损坏v抗脏污能力差，对介质的干净程度要求高。3.3影响涡轮流量计性能的因素影响涡轮流量计性能的因素 v3.3.1 漩涡影响漩涡影响v3.3.2 速度剖面影响速度剖面影响v3.3.3 脉动影响脉动影响v3.3.4 压力密度对流量测量准确度的影响压力密度对流量测量准确度的影响3.4 改进产品改进产品 为了提高涡轮流量计的计量性能和适应性，不同厂家都对涡轮进行了改进，目前有如下产品。v 双叶轮，提高涡轮的可靠性。v铝合金叶轮，提高涡

18、轮的灵敏度和抗冲击能力。v一体化整流器，提高涡轮的准确度和和抗冲击能力。v密封式轴承，提高涡轮的抗脏污能力。 3.5 标准化标准化 涡轮流量计的计量标准有AGA7号报告和ISO 9951。在ISO 9951（1992）.ISO 2715 、OIML R6 、R32、AGA NO7（1981）、ANSI/ASME MFC-4M（1986）标准中给出气体涡轮流量计的准确度为1%，重复性为0.1%。我国亦颁布了有关行业标准（TZX112000）、 JJG198-94速度式流量计检定规程。我国今年将参照AGA7号报告和ISO 9951制定用于天然气流量计量的标准。v2008年，我国参照AGA7号报告和

19、ISO 9951制定用于天然气流量计量的标准，2008年02月02日发布GB/T 21391-2008“用气体涡轮流量计测量天然气流量”。2008年08月01日实施。v2008年3月25日，国家质检总局发布新的JJG1037-2008“涡轮流量计”检定规程，2008年6月25日实施。天然气计量仪表天然气计量仪表 5.1 工作原理工作原理 旋进旋涡流量计是属于旋涡流量计，是采用流体的强迫振荡原理产生旋涡。5.2标准和规范标准和规范 vTZX11-2000企业标准、JJG198-94速度式流量检定规程。 评价指标评价指标按JJG198-94速度式流量计检定规程进行：vA类：流量范围、重复性、仪表系

20、数、线性度vB类：重复性、示值误差、基本误差5.3 计量特性计量特性 典型的旋进旋涡流量计性能表公称通径流量范围，m3/h量程比准确度2523015:113246015:1/20:11/1.5501015015:1/20:11/1.5803045015:1/20:11/1.51006090015:1/20:11/1.5150130195015:1/20:11/1.5200240360015:1/20:11/1.55.4 优缺点优缺点 v优点优点：v使用寿命长；v 线性测量范围宽；v仪表特性几乎不受被测介质的温度、压力、密度、粘度、成分等变化的影响；v测量精度高（1%，重复性0.5%）v结构简单

21、,维修方便v对流体在管道内的流速分布要求不高. 优缺点优缺点v缺点缺点:v管径受限,适于测量管径为200毫米以下流体;v压力损失较大;v所用介质是不带颗粒,不带水滴,不带粘污物的纯净气体,否则应在变送器前安装过滤器;v清洗或拆装漩涡发生体应重新标定;v周围环境温度应不大于+45,外磁场不大于50C,环境振幅不大于0.1mm,频率不大于25HZ。5.5 产品介绍产品介绍 旋进旋涡流量计是近期在国内发展很快，尤其是微功耗智能式旋进旋涡流量计，在小流量、偏远地区的天然气计量占据很大的份量。为了提高计量准确度、适应性抗干扰能力，浙江天信公司利用流态软件预测管道中的流态，开发了双探头(TSD)流量计。5

22、.6 小结v 该类型流量计无可动部件，无机械磨损，不会有卡、堵故障。测量流量比大，更换检测元件勿需要标定。由于它的结构紧凑、操作简单、使用方便，在石油、化工、电力、冶金等行业内部计量，特别是居民生活用气的低压系统总计量中得以应用。随着微电子技术的开发与应用，可以预料它在天然气计量中将是一个很有发展前途的流量计 天然气计量仪表天然气计量仪表 6.1 简介简介v 容积式流量计又称排量流量计（positive displacement flowmeter），简称PD流量计或PDF，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排

23、放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PD流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到18世纪，20世纪30年代进入普遍商业应用。v 容积式流量计品种繁多，结构形式亦多种多样，但其主要部件组成大同小异，现举腰轮流量计作为范例说明。 6.2 工作原理图6.1 工作原理图工作原理 如图6.1所示，腰轮流量计的工作原理可描述如下：6.1.1 当共轭转子A和B在图 a）时，转子A上的作用合力矩达到平衡，转子B上的作用合力矩不平衡而顺时针转动，通过联动齿轮带动转子A逆时针转动。6.1.2 当转子A和B转至图 b）时，作用转子B上的力矩逐渐增大，直至图

24、b）位置。6.1.3 转子A和B交换位置，重复6.1.1。6.1.4 每当共轭转子旋转一周，就有4个阴影部份的流体排出。转子的转数通过齿轮或脉冲装置传达至积算单元而得到流体总体积量。6.3 计量特性计量特性 优点：PDF计量精度高，基本误差一般为0.5R，特殊的可达0.2R或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。PDF在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。PDF可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达30：1或更大。PDF是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。在

25、以体积流量计组合的间接法质量流量测量中，PDF与速度式等推导体积流量计相比，所的体积是直接几何量，体积量的影响因素要单纯些。在不适合采取密度计测量的高压天然气测量中，不易处理的气体压缩系数，用PDF可间接求得。 计量特性计量特性 缺点： PDF结构复杂，体积大，笨重，尤其较大口径PDF体积庞大，故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计（如差压式、浮子式、电磁式）相比，PDF的被测介质种类、介质工况（温度、压力）、口径局限性较大，适应范围窄。 由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，PDF一般不适用于高低温场合。目前可使用温度范围大致在-30+160，压力最高为10MPa。 大部分PDF仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压损，又增加维护工作；如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。 PDF安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过，断流管系就不能应用。但有些结构设计（如Instromet公司腰轮流量计）在壳体内置一旁路，当检测活动元件卡死，流体可从旁路通过。 部分形式PDF仪表（如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等）在测量过程中会给流动带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至