气体槽道流量计的性能测试

　　引言

　　节流式差压流量计的应用范围极为广泛，传统的节流件主要有孔板、喷嘴和文丘利管等。它们用于流量计量已有近百年的历史，并且积累了大量实践经验，国内和国际标准化组织也制定了有关的标准。由于孔板流量计结构简单、易于复制，通用性强，价格低廉而获得大量应用。但是，孔板流量计存在量程范围窄，压力损失大，现场安装要求的直管段过长等缺点。因此，科研人员对差压式流量计的研究工作一直没有中断。南京航空航天大学研究出了一种新式节流式差压流量计――槽道流量计。该流量计打破了传统的思维方式，以流线型纺锤体作为节流件，将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁，在调整流动和保持流动稳定方面更胜一筹，使得从根本上大幅提高测量重复性和准确度成为可能，同时显著减少了压力损失。然而，很多专家对流量计的准确度、重复性、量程范围、前后直管段的要求提出了疑问，带着这些问题我们做了测试工作。

　　1 槽道流量计基本结构与原理

　　1.1　结构

　　纺锤体流量计节流设备的主要结构有如图1所示的两种形式。流线型纺锤体沿测量管轴线安装，其几何形状根据流体力学原理精心设计，中部适当位置有一段足够长的等直径段，与测量管的内壁之间形成均匀的环形通道。被测流体首先经过导流片，紧接着进入该环形通道，形成标准的环形槽道流动。槽道流动的优点是压力顺轴线的降落具有良好的线性度，从而提供了非常稳定的低压（静压）。对 于清洁流体，节流设备可采用（b）形式，高压由纺锤体前缘（前驻点）的高压管引出，可以得到最大的差压。（a）形式的节流设备在纺锤体前缘对应的测量管壁处取高压，得到的差压较（b）形式低，但结构简单，适用范围广。  

　　1.2　工作原理

　　节流式差压流量计用同一形式的流量公式：

　　式中：q_v为体积流量；q_m为质量流量；C为流出系数；ε为可膨胀性系数；d为节流件的孔径或等效孔径；D为上游管道内径；β为节流比系数，β=d/D；Δp为差压；ρ1为上游流体密度。

　　2 槽道流量计检定室内测试结果

　　我们选择了口径分别是DN100mm和DN50mm两台槽道流量计在检定室进行测试，分别从流量系数与雷诺系数的关系、准确度、重复性、量程范围、前端直管段的影响、前端闸门的影响6个方面进行测试试验。测试地点为胜利油田天然气流量检定站，测试时间间隔为2个月。

　　2.1　试验标准设备介绍

　　试验标准设备是音速喷嘴气体流量标准设备，该设备不确定度优于0.27%；采用负压法检定，测试介质为干燥的空气；流量范围为5～2700m3/h；测试流量计口径范围为DN50mm～DN200mm；重复性σ≤0.1%。该设备由中国计量科学研究院考核合格。

　　2.2　流量系数与雷诺数的关系测试

　　在音速喷嘴气体流量标准设备上分别对DN100和DN50槽道流量计进行检定，排量由高到低均匀地选择10到13个检定点，在每个检定点上分别记录槽道式流量计所指示的差压Δp、压力p、气体温度T和音速喷嘴气体流量标准设备的标准质量流量Qm，最后计算出流量系数K和雷诺数Re。K与Re的关系曲线如图2所示，标准流量Qm与

　　从图2和图3可以看出，流量系数随着雷诺数的增大呈现出水平直线关系，说明槽道流量计的计量性能非常稳定，有较大的测量范围。槽道流量计差压的平方根与标准流量也是直线关系，这对流量计的产业化生产提供了理论根据。

　　2.3　准确度测试结果

　　在音速喷嘴气体流量标准设备上，按照JJG640-1994《差压式流量计》检定规程，分别对DN100和DN50槽道流量计，从高流量到低流量依次检定5个流量点，每个流量点检定3次，在检定范围内相对误差与流量的关系如图4所示。从图4可以看出：槽道式流量计用于气体流量测量的准确度可达到0.5%，是目前气体流量测量中准确度比较高的流量仪表之一。槽道流量计的量程比最小为7：1。

　　2.4　重复性测试结果

　　在相同条件下，短时间内分别在Qmax、0.75Qmax、0.4Qmax等3个流量点，在音速喷嘴气体流量标准设备上重复测量10次，计算每个流量点的重复性，最后从3个流量点的重复性中找出最大的数据。试验数据如表1所示。槽道式流量计重复性小于0.1%。

　　2.5　直管段测试结果

　　在已经检定准确的DN100和DN50槽道流量计入口前端分别依次安装1D～8D直管段，在直管段后直接安装由4个标准弯头组成的“U”型管，对每个直管段分别在Qmax、0.7Qmax、0.4Qmax3个流量点在标准设备上标定，每个流量点标定3次，最后记录下标准质量流量和仪表显示的质量流量及相关数据，根据仪表的误差找出影响槽道流量计最小直管段长度，槽道流量计相对误差与直管段长度的关系图如图5所示。从图5可以看出槽道流量计前直管段最小需要5D。

图5 示值误差与直管段关系图

　　2.6　阀门影响测试结果

　　在槽道流量计前安装6D直管段，在直管段前安装碟型阀门，阀们开度分别按满度的100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%开启，在 50%的流量点上进行检定，最后记录标准流量和仪表显示流量，计算阀门影响带来的误差，如图6所示。从图6可以看出，槽道流量计前端阀门开度对流量计的误差影响很大，在流量计运行时，流量计前端的阀门开度至少大于80%。

图6 示值误差与阀门开度关系图

　　2.7　稳定性测试结果

　　把标定准确的槽道流量计安装在油田现场，用于天然气生产和天然气消耗计量，在露天现场运转60天后，拆卸回检定室重新检定，测试结果如图7所示。从图7可以看出，槽道流量计稳定性较好，DN100和DN50两种口径的流量计都有不同程度的漂移。漂移的主要原因是仪表使用的差压变送器和温度变送器有漂移，槽道流量计本身没有漂移。

　　3　结论

　　从槽道流量计检定室内测试可以看出，该流量计流量系数平稳，重复性小于011%，测量天然气流量的准确度为015%，量程范围为7：1，准确度和量程范围都有提高的空间；该流量计具有自整流的功能，从而可以大大缩短传统差压流量计所必须的上下游较长的直管段，经检定室直管段影响试验，前直管段可以降低到5D；该流量计完全避免了流动分离，压力损失较孔板流量计显著减小；该流量计的节流件具有良好的流线型，不仅避免脏物的堆积，而且不易磨损，但是对上游的阻尼元件要求较为严格。槽道流量计是一种新式差压流量计，并且可以作为标准表使用。

　　参考文献

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