三氣的計量和儀表

煤氣、天然氣和水蒸氣（以下簡稱三氣）的計量，是存在了多年的棘手計量課題。由于計量手段不利，再加上管理方面的原因，不僅計量糾紛經常出現，而且國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”補貼。隨著環保事業的發展和百姓生活水平的提高，工業城鎮居民用氣的數量正在與日俱增，由此，科學地解決煤氣、天然氣和供熱蒸汽的計量問題，就越發顯得重要起來。
    一、能源三氣的現狀
    我國城鎮所使用的煤氣，主要是焦爐煤，其次為油制煤氣。在冶金行業，除焦爐煤氣外還有高爐煤氣，在機械行業則有發生爐煤氣、在化工行業有水煤氣。焦爐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壁和管內其他構件表面上凝結并聚集起來，使得已有的多種流量測量儀表都無法正常工作。可以說，煤氣的制造、輸送及工業用氣的計量難題一直未得解決。以往**勉強在用的計量手段是孔板，因孔板“積污”問題嚴重，使用過程中必須經常進行除污處理，這種情況下，計量準確度也就難以定量評估了。目前許多制氣、用氣單位，對焦爐煤氣干脆就沒有進行計量。
    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。對天然氣的計量有兩種狀況：一是加工處理前非潔凈天然氣的計量，一是加工處理后潔凈天然氣的計量。非潔凈天然氣中往往夾帶有液體、固體顆粒和其他可能會對測量儀表造成污染的析出物，給計量帶來很**煩，因而一直沒有計量效果令人滿意的流量儀表，孔板、旋進旋渦流量計是目前在用的主要計量手段。對潔凈天然氣的計量，本來不應有多大困難，但是由于處理技術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，有時也是不潔凈的。目前，我國對潔凈天然氣的計量手段主要還是孔板。渦街和旋進旋渦流量計只在較小管徑上有所使用。渦輪、超聲流量計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。飽和蒸汽的計量難點在于，一是蒸汽干度的修正及其可能出現的汽水兩相流測量問題不好解決，二是飽和蒸汽的用戶多為中、小企業，用汽量波動幅度太大，計量儀表的性能難以適應。以上兩種原因，再加上儀表自身性能的缺陷，造成測量誤差過大。過熱蒸汽計量的麻煩要小于飽和蒸汽。蒸汽現用計量手段，除傳統的孔板、噴嘴以外，還有渦街、阿紐巴等。其中溫度較高、管徑較大的蒸汽計量，目前主要還是孔板、噴嘴這一傳統計量手段。
    二、孔板計量的弊病
    從我國目前能源三氣計量現狀來看，作為煤氣、天然氣、蒸汽管道集輸與工業用氣（汽）的計量手段，大量使用的還是孔板，直徑在DN200mm以上的場合尤為如此。
    使用孔板計量的弊病，是業內人士早已取得共識的問題，為引起更大范圍的關注，為有益于推廣使用測量新技術，改善如上“三氣”的計量現狀，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。測量原理決定了，孔板從安裝使用之日起，實際流出系數便在**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合，這種變化往往是很驚人的。有人做過專門的調查，一個新制造的符合標準要求的孔板，在安裝使用一段時間之后拆下來重新進行檢查，原來標準要求的節流孔應當保持尖銳的邊緣被磨鈍了：在標準中對平面度、表面粗糙度要求很高的孔板端面積結了許多污染物，用于測量高含濕氣體和較臟污的流體時，在靠近孔板的死水區還積聚了液體和固體物質。由于孔板流出系數受入口邊緣銳度及“積污”的影響很大，其結果使本來安裝時流出系數不確定度為±0.6%的孔板,流出系數一下增大了百分之幾。據國外專業雜志報導,在流體臟、流速高的場合，因“銳緣磨蝕”和“積污”而使流出系數增大百分之十幾的也不足為怪。
    2、孔板量程比太小，在中雷諾數區域，只有3～4，而用戶實際用氣（汽）量的波動幅度往往卻要大得多。孔板計量特性決定了，其實際流出系數是隨被測流體雷諾數Re的變化而變化的。特別是在雷諾數5×103
    3、孔板的管路直管段長度及孔板安裝的規范性要求高，因為管道上閥門、彎頭、縮徑、擴徑、分管、會管等，往往又是不可避免的，所以因直管段長度不符合標準要求和因孔板安裝不規范而造成的附加測量誤差，或大或小總是存在的（如時?=0.70,上游在不同平面上有兩個彎頭,則直管段長度應為管直徑的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。
    值得提及的一個問題是，有一種在線可更換式活動孔板已在一些計量場合使用。無疑就改善測量精度而言，使用在線可更換活動孔板，在一定程度上可以控制減小因“磨蝕、“積污”而造成的測量偏差，但是并不能完全消除這種測量偏差（總不能頻繁地進行更換或清洗），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（包括在線活動孔板）的實際測量偏差，往往要比孔板標定（干標或濕標）給出的誤差范圍大得很多，多數情況下則是賣方吃虧。所以，孔板計量不公平，以孔板作為貿易、經濟結算計量手段的現狀，必須盡快改變。
    三、對改善能源三氣計量手段的探討
    鑒于孔板計量的嚴重弊病，隨著流量測量技術的發展，近十幾年來，若干新型或改進型流量測量儀表已陸續進入了三氣測量領域。然而，由于三氣計量條件的特殊性，也由于這些儀表計量與使用性能的局限性，雖然它們在某些計量場合也取得了較好的計量效果，但就三氣測量領域而言，“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文丘里管流量計，它的測量原理與應用實踐表明，這種新一代差壓式流量計，完全克服了孔板計量的種種弊病，對三氣的計量條件具有很好的適應性。下面就幾種可能取代孔板用于三氣計量的測量手段予以簡要分析。
    1、熱（線）式氣體質量流量計
    恒溫差式氣體質量流量計，從原理上講可以用于各種氣體，包括煤氣、天然氣的流量測量，但實際它只適宜測量工況穩定、干燥的清潔氣體，特別不適宜測量臟污和高含濕氣體。
    首先，測量原理決定了，被測介質的熱物性差異，對測量結果影響極大。為此儀表需用實測介質進行標定。實際使用時，因被測介質組分變化而造成的使用附加誤差在所難免，并難以定量評估。
    其次，它不適宜測量臟污氣體，氣體中的含水不能太大，介質中也**不能出現液體。如果在實測氣流中一旦出現有可能將探頭敏感元件糊住的糊狀物質、特別是出現水滴或其他冷凝液，因介質對敏感元件冷卻效應的驟然變化，將造成難以估量的測量誤差，甚至使儀表無法正常工作。
    再次，傳感器直接測出的是管道內某一點或某幾點位置上的氣體流速，將其換算成管內流體的流量時，與管內氣體的流速分布狀況有關——取決于雷諾數和管壁粗糙度，如采用固定不變的計算因子，由此而帶來的誤差也是在所難免的。
    2、阿紐巴流量計
    阿紐巴（也稱均速管還有其它名稱）流量計的測量原理與測速畢托管完全相同，是實現了多點同時測量的畢托管，它結構簡單、安裝維護方便、壓損小，用于大管徑測量時，相對價格便宜，除用于測量水，也用于測量氣體和蒸汽。
    阿紐巴的測量原理及流量計算方法，決定了它不可能有理想的測量準確度（流量系數不確定度為1%），工況條件變化較大時，實際測量誤差會遠遠超出設計標定值。流體對迎面取壓孔的邊緣磨損也會使流量系數逐漸發生改變，這與孔板銳邊磨蝕相似，造成性能不穩定。測量臟的氣體時，取壓孔容易堵塞，這不但使流出系數發生改變，有時還會難以正常工作。近年來改進型的阿紐巴雖然在抗磨損、抗堵塞方面有了一定進步，但仍難以從根本上解決問題，焦爐煤氣和非潔凈天然氣等臟污氣體測量是**不宜使用的。阿紐巴只適用于測量介質比較干凈、工況比較穩定且勿需高準確計量的場合。
    3、旋進旋渦流量計
    旋進旋渦式流量計，結構簡單、安裝維護方便，耐用并可測高含濕氣體和其他較臟污的氣體，但測量精度較低，不含溫度、壓力修正為1.5%左右。旋進旋渦由于有螺旋形葉片構成的起旋器，氣體流過起旋器造成的壓損太大，工況壓力低、對壓損要求較嚴的場合不便使用：其次測量的氣體流速不能太低，否則起旋器不能起動會形成測量盲區（目前用于天然氣計量的旋進旋渦流量計就存在著小流量不計量的計量缺陷）。用于測量煤氣等臟污氣體時，污物有可能在起旋器中積垢和將振動頻率檢測器糊住也是一個很大的問題。
    4、渦街流量計
    渦街流量計結構簡單、安裝維護方便，測量精度（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量蒸汽，在DN200mm以下，發展較快，也有將其用于天然氣計量的。
    渦街流量計使用的局限性主要有以下幾點：
    （1）受檢測原理限制，要求測量的流動雷諾數下限較高，氣體流速一般應大于4m/s，流速低了測量精度降低甚至會造成小流量不計量。再有，在靠近強烈振動場的環境下，工作可靠性也有問題。
    （2）受檢測原理限制，測量管徑不能太大（大管徑在較低流速下，振動旋渦頻率過低會造成頻率信號丟失，目前制造廠家成熟技術的產品，均在DN300mm以下），受信號檢測器耐溫能力限制，被測介質溫度不能太高，宜在350℃以下。
    （3）不適宜測量煤氣、非潔凈天然氣等可能對頻率信號檢測器造成嚴重污染的臟污流體。
    （4）對入口管路直管段長度的要求高（稍高于孔板的要求），達不到安裝條件則要產生較大的附加測量誤差。
    5、氣體渦輪流量計
    精密氣體渦輪流量計具有0.2-0.5%的測量精度，可用于各種清潔氣體，包括潔凈天然氣的計量，國外也有將其用于天然氣貿易結算計量的。
    由于渦輪流量計的測量元件是轉動的葉輪，并使用了軸承，故要求所測流體必須潔凈，在使用過程中還應勤于校準。顯然，渦輪流量計用于非潔凈天然氣和煤氣的計量是不可行的，用于潔凈天然氣的計量時，必須保證氣體清潔，用于新開通不久的天然氣管道時，因管路不干凈，渦輪流量計往往難以保持正常運轉。
    6、氣體超聲波流量計
    氣體超聲波流量計近幾年在國外有了較快的發展，并已開始試用于中大管徑天然氣的貿易結算計量，我國對DN200mm-400mm的進口氣體超聲流量計也有了少量的試用。中大口徑的多聲道氣體超聲流量計，精度可優于0.5%，但價格過于昂貴，計量的可靠性也有待于實踐的檢驗。較小口徑的單聲道氣體超聲流量計測量精度偏低，價格不便宜。
    除價格問題以外，氣體超聲流量計在使用條件上也有其局限性，主要是；
    （1）被測氣體必須清潔，保證不能對探頭造成污染，所以它不宜用作煤氣和非潔凈天然氣的計量。
    （2）被測氣體的密度及管內操作壓力不能太低，。較大管徑時尤為如此，所以它也不宜用于低壓大管道氣體的計量。
    （3）在具有高頻振動噪聲的場合，超聲流量計有時會不能正常工作。
    綜上，從性能、價格兩方面考慮，在我國將多聲道氣體超聲流量計逐步地用于大管徑和較大管徑的清潔天然氣的貿易結算計量具有一定的現實性，但是要將其普遍用于天然氣的集輸與工業用氣計量則是不實現的。
    7、彎頭流量計
    彎頭流量計又稱彎管流量計，它是利用流體通過彎頭弧形通道時在彎頭外側半徑與內側半徑之間形成的靜壓力差（差壓）與平均流速之間的定量關系而測量流體流量，因而也是一種差壓式流量計，多用于測量氣體。近幾年來在我國有了一定的發展。彎頭流量計具有結構簡單、性能穩定、重復性好、價格便宜等優點，其主要缺點是測量精度低，流量系數不確定度一般為4%，且不宜測量低壓低流速流體。彎頭流量計測量精度低是由其測量原理決定的：流體在彎頭處的流場速度分布異常復雜，且易老化，流量系數對流動雷諾數及管壁粗糙度的變化非常敏感，流體流入彎道前的非軸對稱速度分布對流量系數的影響也遠大于標準孔板。另外，用于測量氣體時，取壓截面上的密度變化如何修定，也是一個難以確切掌握的變量。對流量系數實流標定并采用計算機軟件修正技術，可以提高彎頭流量計的測量精度，但是，除了雷諾數變化便于動態修正以外，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，如用實測介質在實測工況范圍內進行實流標定實際測量時，再按標定結果回歸出的經驗公式進行實時修正，這樣可獲得滿意的測量精度，然而，就一般的工業計量而言，這往往是難以辦到的。因此，彎頭流量計只適合用于工況變化幅度不大、對測量精度要求不高、能有較好測量重復性即可的場合。
    8、內文丘里管流量計
    內文丘里管流量計是大連索尼卡電子有限公司自行開發的**技術產品，是集經典文丘里管、環形孔板和耐磨孔板優點于一體的新一代差壓式流量測量儀表。內文丘里管的技術特點是：
    （1）測量精度高，穩定性好。由于無孔板那種銳邊磨蝕和積污問題，在測量過程中流出系數能長期保持恒定。
    （2）對被測介質適應能力強。可以測量各種液體、氣體積蒸汽，包括含有固體顆粒流體和高含濕氣體。
    （3）測量范圍度寬。量程比大于10：1，甚至量程比達15：1，25：1，流出系數線性度仍低于0.4%。
    （4）對安裝直管段長度要求低，*短直管段長度只需孔板的1/8左右，一般為1-3D，因而能有效避免或減小測量系統的附加測量不確定度。
    （5）壓力損失小，約為孔板的1/3-1/5。
    內文丘里管的優良計量特性，使得它成為取代孔板的理想換代產品，適宜普遍用作各種煤氣、天然氣和水蒸汽的計量。內文丘里管的缺點是，欲獲得高的測量精度必須同時配置性能優良的差壓變送器，不過做到這一點，今天并無多大困難。
    ?結束語
    我國的能源三氣計量現狀急需盡快改善。可采用的改進測量手段，不可能，也不應當采取一刀切的做法。決策者根據自己的測量條件和改善計量效果的需要，對可供選擇的多種計量手段進行**、客觀地分析比較，相信是會做出正確選擇的。

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