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在天然气行业应用中孔板流量计和超声波流量计的区别

点击次数:439  发布时间:2019-12-25

在我国长输和集输管道的工程实践中,孔板流量计特别是高级孔板阀长期占据统治地位。而随着我国石油天然气事业的大规模发展,在高压、大流量计量方面,孔板流量计越来越受到自身结构的限制而显示出其局限性。近年来一些新型的流量计在国外取得理论和实践成功的基础上,也积极投身国内市场,取得一系列成功经验。特别是超声波流量计在高压、大流量场合具有明显优势,大有取代高级孔板阀之势。由于认识的误区很多人认为超声波流量计性能好但价格昂贵,事实是不是如此呢?我们通过一系列比较可以得到更正确的结论。 
 一、孔板流量计的使用要求 
 孔板流量计(流量与差压的平方成正比)的使用条件、使用范围和对管道的要求: 
 1)流体:应是单相、均质的牛顿流体,在通过节流装置时不发生相变和析出杂质,在节流装置中不得有任何形式的物质黏附或聚集。 
 2)管道:仅适用于圆管,管径大小有一定限制,上下游有很长的直管段,而且节流件上游 10D、下游 4D直管段的内表面粗糙度、圆度要严格符合具体规定。 

3)流态:流动应是连续、稳定的,不是脉动流;在受到节流件影响前已形成典型的、充分发展的流速分布(紊流速度分布),流线与管轴线平行,不得为旋转流。 
 二、技术性能的比较 

1)量程比低 

由于结构特点,孔板流量计是通过节流件来完成测量的,所以其量程比通常只有13,zui高可达110,而超声波流量计没有任何阻流件,其量程比可达 1200。这两个数据表明:如果实现一种测量方案,假定其流量范围是从1m3/h~40m3/h,使用超声波流量计只需要一路工艺计量回路就可以实现,如果采用孔板流量计,需要多路才能实现。 

2)压损 

由于孔板流量计的结构有阻流件,超声波流量计没有阻流件,那么显而易见:孔板流量计的压损很大,超声波流量计压损实际可以忽略不计。节流装置能耗计算如下: 

以下以1个典型用户用气参数进行能耗计算:用气量160× 104m3/d,用气压力 0.6MPa 
节流装置压力损失计算式:(最大刻度差压50kPa、β=0.68 
      δ P=1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3)Δ
           =0.5486×50 
           =27.43kPa 
      节流装置能耗计算式:(压缩机效率η =0.8 
      W= δp ×QV/η 
         = 27430×18.5185/0.8 
         =634953W 
      计算耗能费:能源价 0.4 /kWh 
      耗能费()=(W/1000)×(运行时数/)×(/ kWh) 
                    =(634953/1000) ×365×24×0.4 
                    =2224876(/
      该计算仅只是能耗损失,不包括压缩机运行等费用。 

3)精度 

孔板流量计的计量精度理论上可以达到1%,但是通过大量的实践证明,由于孔板流量计抗干扰能力较差,现场精度zui高能达到2%,一般情况下在3%左右。超声波流量计的精度则可以达到0.5% 甚至更高。由此可见选择两种不同的计量仪表, 对于测量的影响会有多大。

4)测脉动流 

由于孔板流量计是靠孔板前后的差压信号来实现流量测量的,脉动流会使孔板前后的差压不准,所以孔板流量计不适合测脉动流,而超声波流量计可以测量脉动流的强度并消除其干扰,所以它适合测脉动流。 

5)测双向流 

孔板流量计依据一个节流元件来实现测量目的,这个节流元件具有严格的方向性,因此孔板流量计无法测双向流。超声波流量计只与超声信号在流体中的传播时间有关,因此可以测双向流。 

6)测湿气体 
孔板流量计不适合测量湿气体;若被测气体为湿气体,那么在孔板流量计的前端容易积液,使得上下游差压产生变化,而孔板流量计正是根据上下游的压差来测量流量的,如果差压产生变化,则孔板流量计不可能准确测量气体的流量。超声波流量计具有自检测功能,如果所测量气体为湿气体,对超声波流量计产生影响时,仪表本身可以修正,因此超声波流量计适用于湿气体的测量(湿气体体积组分含量低于5%)。 

7)清洗计量管路 

孔板流量计本身有阻流件,清洗球无法通过,因此孔板流量计安装在管线上时无法在线清洗计量管路,只有拆除孔板流量计才能清洗管路。而对超声波流量计来说,不存在这样的问题。 

8)涡流影响 

孔板流量计采用差压法测量气体的流量,涡流直接影响孔板两端的差压,因此孔板流量计对涡流很敏感,要求有很长的直管段才能满足测量精度的要求。新的国际标准ISO5167已经对孔板流量计上游直管段的长度作了更高的规定:孔板流量计上游直管段至少要有44D,若孔板流量计上游有汇管存在,则上游直管段的长度至少要有145D 

9)流速分布的影响 

孔板流量计由于结构原理的限制,要求测量时流速分布均匀,但是由于现场计量管路的复杂性,气体在管路的流速分布是不可能均匀对称的,因此孔板流量计对流速分布不对称非常敏感。超声波流量计可以修正流速分布不对称的现象。 

10)重复性 

对于孔板流量计而言,随着使用过程中孔板边缘的磨损,孔板流量计的精度和重复性都会下降,而超声波流量计无压损、无示值漂移现象,重复性高。 

11)工艺管路复杂性比较 

对于孔板流量计,由于量程比窄,计量管路多,而且上、下游直管段长,现场工艺管路复杂。超声波流量计量程比宽,上、下游直管段短,工艺管路简单。 

12)维修维护率比较 

孔板流量计有阻流件,上游易积液、对高含硫的天然气,其孔板磨损快,维修维护率高。超声波流量计无可动部件,特殊材料的超声探头可以抗H2S 的腐蚀,维护简单。 

13)一次性投资比较 

孔板流量计由于量程比窄,对于相同的流量计量要求,其计量管路多,虽然直接的计量仪表投资少,但是相关的阀门、温度变送器、压力变送器、直管段、汇管等一次性投资多。超声波流量计单表价格高于孔板流量计,但是由于量程比宽,整个计量回路少,实际站场一次性投资少。

三、现场安装比较 

1)直管段的长度 

孔板流量计上有直管段至少要有44D,若孔板流量计上游有汇管存在,则上游直管段的长度至少要有145D。(详见《国际流量计量学术动态及发展趋势》(《中国计量》2002年)或ISO 5167-2)。 
       超声波流量计上、下游直管段要求为10D5D(《用气体超声波流量计测量天然气的流量》— 国标GB/T 18604-2001)。 
      2)安装的影响 
      对于孔板流量计,安装条件直接影响其计量精度,对现场安装的同心度要求很高。 
      3)使用条件 
      由于孔板流量计的原理决定其现场使用条件必须与设计条件相符,压力、流量的适应性差。超声波流量计对现场的适应性极强,对压力、流量的波动不敏感,有较强的过载能力。 
四、长期使用的比较 

1)精度变化 

孔板流量计由于长期使用,孔板入口边缘磨损,孔板弯曲变形,都会使精度丧失。超声波流量计由于无磨损、无示值漂移现象,可以长期保持较高的精度。 

2)脏污的影响 
由于孔板流量计由节流件,长期使用时,脏污物将堆积在孔板的上游,造成差压信号不准,直接影响计量精度。脏污和孔板钝化可造成计量偏差 210% 以上。超声波流量计为中空管段,探头在仪表上部,脏污不易影响探头工作,不会影响计量精度,而且流量计可以检测脏污情况并修正和报警提示、及时进行清洗。 
 3)故障排除 

由于孔板流量计的仪表特性取决于节流件的几何形状和尺寸,需要经常检查节流件,一旦节流件发生变化就必须更换,节流件的寿命取决于气体的组分、流量及压力。超声波流量计本身具有很强的自诊断功能,一旦不在正常状况就会报警,并自动记录报警期间的数据,超声探头的使 
用寿命至少为 8 年,并可在线更换。 
 4)备品备件 
孔板流量计由于节流件经常磨损、变形,因此需要备多套节流件;超声波流量计只需要备一套探头,可替换使用。 
5)日常维护 

孔板流量计需要经常维护,并检查节流件的几何尺寸等参数。在线更换孔板后很难保证不泄漏,使压差不准,难以保证计量精度。 
超声波流量计则可免维护,自检功能强大。 
 6)强检周期 
孔板流量计一年一检,一般采用几何检定法。超声波流量计3 年一检,可以实现在线标定。 

综上所述,使用气体超声波流量计比使用孔板流量计无论从安全性能、技术性能还是从一次性投资以及长期运行费用上都有很大的优势。由于说明问题的需要,本文中计算和实例均选用较大用气量进行比较,实际通过比较计算一般DN200口径以上流量计选用气体超声波流量计具有较大优势。但是由于价格客观因素的原因,超声波流量计的价格要高于孔板流量计,尤其是口径≤DN150的流量计选择,这时选择孔板流量计更为经济。如果从测量精度出发,

选择精度更高的流量计是推荐的选择。

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