國際流量測量技術(shù)學(xué)術(shù)動態(tài)及發(fā)展趨勢

國際流量測量技術(shù)學(xué)術(shù)動態(tài)及發(fā)展趨勢

國際流量測量界所召開的最重大的學(xué)術(shù)會議主要有以下兩個：
    （1）2001年5月7~10日在蘇格蘭，皮布爾斯（Peebles)召開的“2001國際流量測量學(xué)術(shù)會議”（FLOW MEASUREMENT 2001 INTERNATIONAL CONFERENCE）。該會議由NEL主辦，會議的主題是：“在工業(yè)各領(lǐng)域中創(chuàng)造效率”。
    （2）2002年4月7~10日在美國首都華盛頓附近的阿林頓（Arlington）召開的“第5屆國際流體流量測量學(xué)術(shù)會議（The 5th International Symposium on Fluid Flow Measurement)，在此次學(xué)術(shù)會議的前后還在同一地點召開了ISO／TC30SC2；ISO／TC30／SC5；ISO／TC30／SC9的工作會議以及CIPM／CCM／WGFF流量工作組的第3次會議。
    從以上所述這兩次國際學(xué)術(shù)會議上所發(fā)表的近百篇學(xué)術(shù)論文以及ISO／TC30三個分委員會的會議和WGFF的會議，集中反映了當(dāng)今國際流量測量技術(shù)的最新水平，并展示了流量測量技術(shù)的發(fā)展趨勢及主要方向。本文擬介紹國外流量測量技術(shù)的若干動向，以供國內(nèi)有關(guān)部門考慮問題時作為參考。

    一、差壓式流量計國際標(biāo)準(zhǔn)的新變化

    1.1關(guān)于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167的修訂工作
    采用孔板、噴嘴和文丘里管等節(jié)流裝置的差壓式流量計是一種應(yīng)用面最廣，應(yīng)用量最多的流量儀表，這類儀表占整個流量計的60~70％。因此ISO5167的修訂工作一直是ISO／TC30／SC2的重點項目。由于我國的GB／T2624－93就是等效采用ISO5167－1（1991）的，因此ISO5167的修訂也更為我國流量界所矚目。ISO5167的修訂已有約10年的歷史，現(xiàn)已進(jìn)入DIS的最后階段。ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)的最終草案共包括以下4部分，即：

    ISO／DIS5167－1（第1部分：總則）；

    ISO／DIS5167－2（第2部分：孔板）；
    ISO／DIS5167－3（第3部分：噴嘴與文丘里噴嘴）；
    ISO／DIS5167－4（第4部分：文丘里管）。

    ISO／TC30／SC2計劃將于今年7月將最終草案分發(fā)到各成員國征求意見，經(jīng)過3個月，預(yù)計將于今年9月投票表決。被批準(zhǔn)認(rèn)可的DIS將被注冊登記為FDIS。初步計劃在今年10出版FDIS。
    1.2 ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)所修改的主要內(nèi)容：
    （1）根據(jù)大量數(shù)據(jù)回歸的R／G公式取代了原來的Stolg公式；
    （2）在沒有流動調(diào)整器的條件下，對孔板（或文丘里管）與一些上游阻流件之間所需要的最小直管段提出了全新的及更長的要求，詳見表1（文獻(xiàn)1）；表2和表3；
    （3）如在孔板上游安裝流動調(diào)整器則可以適當(dāng)縮短孔板上游的直管段；（詳見標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)表格）；
    （4）采用新公式來計算孔板的可膨脹性系統(tǒng)；
    （5）修訂了關(guān)于孔板的不同軸度、不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求…等。
    1．3 為修訂ISO5167所進(jìn)行的補充實驗
    同軸或不同軸的漸擴(kuò)管和漸縮管是相當(dāng)常用的阻流件。在API／ANSI2530（1991－1999）的標(biāo)準(zhǔn)中將漸擴(kuò)管與漸縮管歸為同一類阻流件，這與ISO5167－1991有明顯的不同。例如在β=0.75時，API標(biāo)準(zhǔn)要求為13D，而ISO標(biāo)準(zhǔn)則要求在漸縮管后有22D，在漸擴(kuò)管后要求有38D，即漸擴(kuò)管后要有比漸縮管后更長的直管段。據(jù)文獻(xiàn)（2）報導(dǎo)：實驗數(shù)據(jù)說明API／ANSI老標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于漸擴(kuò)管后直管段的規(guī)定不對，應(yīng)予以改正。但是，還需要從另一個獨立的實驗室中獲得另一組數(shù)據(jù)來證明同一問題后，才能對API／ANSI老標(biāo)準(zhǔn)的這條規(guī)定進(jìn)行修訂。實驗還發(fā)現(xiàn)：不同軸的漸縮管或漸擴(kuò)管以及閘閥對測量的影響與取壓口的方位有關(guān)，隨著L／D的增加，因取壓口方位不同所受的影響會減少�？偟恼f來，不對稱組件（即不同軸的各種阻流件）比同軸阻流件要求有更長的直管段。實驗證明：API／ANSI老標(biāo)準(zhǔn)中對同軸縮管及閘閥后直管段的規(guī)定是適當(dāng)?shù)模辉诘蛪嚎諝庋b置上作上述實驗，同樣可獲得高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)，而且還易于操作并且花費更少。在垂直平面上的兩個90°彎頭的實驗是在高壓氣體流量裝置上進(jìn)行的。實驗證明：如果S為O，兩彎頭間無法蘭，則在高ReD下，旋轉(zhuǎn)流的耗散要緩慢得多，甚至在此雙彎頭后81D處，仍能影響孔板流量計的不確定度，可測得較大的正的系統(tǒng)誤差。
    新修訂的ISO－5167和API／ANSI－2530標(biāo)準(zhǔn)中，在沒有流動調(diào)整器的條件下，在孔板上游都推薦使用更長的直管段（詳見表1）。然而，有些新的推薦值只是根據(jù)了有限的幾組數(shù)據(jù)。因此有必要對數(shù)據(jù)較少的那些安裝條件或上游阻流件的幾何參數(shù)局限于一定范圍的安裝條件補作實驗并重復(fù)檢查孔板流量計的性能。據(jù)文獻(xiàn)（3）的報告，實驗是在一個低壓空氣裝置上作的，選用的上游阻流件有T形管、成45°角斜接的90°彎頭和在同一平面上的兩個45°彎頭，而且兩個彎頭之間的間距S很短（S＝2D~10D）。用作彎頭的T形管有幾種形式：如帶銳邊的；邊緣倒圓的或邊緣倒圓帶有延長管的T形管等。利用上述各種形式的T形管作為上游的彎頭進(jìn)行實驗表明：新修訂的ISO孔板標(biāo)準(zhǔn)在適應(yīng)上游阻流件幾何參數(shù)的變化方面是足夠保守的。只在有實驗帶10D（的）延長管的T形管時，新標(biāo)準(zhǔn)推薦的直管段略顯稍短。對于45°角斜接的90°彎頭可以按照用作彎頭的T形管或單個90°彎頭等阻流件的要求，選定所需的直管段。對于在同一平面上的兩個45°彎頭（S＝2D~10D），其后所要求的直管段類似于在同一平面內(nèi)的兩個90°彎頭且S≥22時所要求的直管段。通過以上實驗證明了如下兩條結(jié)論：
    1．新的ISO及API／ANSI／AGA孔板標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的上游最小直管段絕對不是過于保守的；
    2．在新標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于最小直管段的表格中，上游阻流件的幾何參數(shù)在一定的容許范圍內(nèi)是可以擴(kuò)展或變化的。
孔板流量計上游的管徑突變對孔板流量計流出系數(shù)的影響是文獻(xiàn)4的主題�，F(xiàn)有的一個孔板流量計是否可以與不同管徑的工藝管路相連接？對于一個經(jīng)黨校準(zhǔn)孔板流量計的實驗室也經(jīng)常會面對同樣的問題�，F(xiàn)在ISO－5167－1：1991標(biāo)準(zhǔn)對孔板上游管徑的要求是相當(dāng)嚴(yán)格的，在國標(biāo)GB／T2624－93中6.5.1.2條明確規(guī)定：“離節(jié)流件2D以外，敷設(shè)在節(jié)流件與第一上游阻流件之間的上游管段，可由一種或多種截面的管道組成，只要任一臺階不超過6.5.1條規(guī)定的±0．3％的圓度要求，則流出系數(shù)無附加不確定度。”
    第一阻流件有可能在孔板上游100D處（D為管道內(nèi)徑），如果是小管徑，則可能必須將上游的整個管道進(jìn)行加工以滿足上述0.3％的要求。但如果臺階出現(xiàn)在2D處和50D處，在兩處按相同的要求來處理管徑突變問題可能是不必要的。作者用管壁系列號為80，120和10的管道安裝在管壁系列號為40的孔板流量計的上游的不同距離（5D，9D，14D，21D，31D和46D）處。實驗證明ISO－5167－1：1991中對上游管道連接處臺階的要求過于保守。實驗所得數(shù)據(jù)將和于新修訂的ISO－5167－2標(biāo)準(zhǔn)，用來推薦最大允許的臺階值。實驗還證明：大于0．3％的臺階的位置臺在46D以外時，影響已小于0.1％。
    綜上所述，以上文獻(xiàn)（1至4）中所報導(dǎo)的近幾年來的補充實驗工作及其結(jié)論對于ISO－5167，API／ANSI－2530和AGA－3等標(biāo)準(zhǔn)的修訂是十分有益的。所獲得的實驗數(shù)據(jù)是修訂標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。與修訂前的ISO－5167相比較，新修訂的標(biāo)準(zhǔn)在上有許多實質(zhì)性的變化，其中最主要的一條變化就是對孔板等節(jié)流裝置的上游最小直管段提出了全新的和加長的要求。對這種新變化和新要求應(yīng)予以高度重視。

    二、如何應(yīng)對ISO－5167修訂后的新變化與新要求
    由于流量計的使用目的和應(yīng)用場所的不同，對其準(zhǔn)確度的要求也各不相同。按使用目的分類，大概可以將流量計分為以下三大類（文獻(xiàn)5）：
    1．用于貿(mào)易輸送計量的或用來校準(zhǔn)其他流量計的；對此類流量計的計量學(xué)特性有嚴(yán)格要求；
    2．用于一般性的監(jiān)測或檢測；
    3．用于一般性的過程控制。
    對于2、3類流量計的準(zhǔn)確度要求可適當(dāng)放寬，應(yīng)對辦法也不同。針對修訂的ISO－5167－2的新要求，在一個氣體貿(mào)易輸送計量站上是如何應(yīng)對的？長達(dá)25頁的文獻(xiàn)6作了詳盡的分析報告，他們的經(jīng)驗值得我們參考與借鑒�，F(xiàn)將該文摘要匯報如下：
    烴源有限公司（簡稱HRL）下屬的南莫克姆（South Morecambe）天然氣計量站是英國最大的天然氣貿(mào)易計量站之一，每日的氣量高達(dá)5千萬標(biāo)立方米，該站于1985年投運。1998年HRL決定對該站使用孔板的天然氣貿(mào)易計量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，并開始可行性分析研究。通過審查發(fā)現(xiàn)使用孔板有如下幾個主要問題：
    1．現(xiàn)場孔板上游的直管段長度太短，不符合新修訂的ISO－5167和AGA3中關(guān)于孔板上游最小直管段長度的要求。原有的計量系統(tǒng)由6個24″（600mm）的孔板流量計組成（為4用，2備）；6路孔板的上游各有一個90°彎頭，六個孔板與上游90°彎頭之間的直管段長度在18D至41D之間不等。6個90°彎頭的上游有6條平行管線接入一個共用的匯管。按現(xiàn)行的ISO－5167（1991）查表：在單個90°彎頭的下游，β＝0．6和零附加不確定度條件下，要求孔板上游的最小直管段l1＝18D，如按新修訂的ISO－5167和AGA3要求，l1分別應(yīng)為42D和44D。按ISO新標(biāo)準(zhǔn)要求在匯管之后應(yīng)使用流動調(diào)整器；按照AGA3新標(biāo)準(zhǔn)，匯管應(yīng)屬于“任何其他阻流件配置”范疇，要求有145D的上游直管段。而現(xiàn)場實際最短的只有48D。
    2．孔板流量計維護(hù)的工作量太大，維護(hù)費用昂貴，維修負(fù)責(zé)太重，運行費用高。
現(xiàn)場孔板流量計的每一條管線上都裝有三個不同壓差測量范圍的差壓變送器，一個靜壓變送器，一個密度計，一個流量計算機(jī)和一個測溫元件。此外在總管線上還裝有一臺共用的氣相色譜儀和一臺相對密度分析儀。原有孔板計量系統(tǒng)的維護(hù)費用相當(dāng)昂貴，例如，僅為校準(zhǔn)狀壓變送器每年需花費掉600個人時。要求孔板每年檢查兩次，每年重校一次。要求每2個月檢查一次密度計，每年重校它一次。
    3．孔板流量計的壓損太大，直到新的壓縮裝置建成之前，此壓損問題在該站一直十分尖銳。
    應(yīng)該補充說明的是：在研究新標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的直管段長度時，負(fù)責(zé)設(shè)計的B&R公司對新規(guī)定曾有一定疑慮，為此他們決定請英國國家工程實驗室（NEL）的專家，專門針對該站的管路配置和孔板 一計量系統(tǒng)進(jìn)行專題的計算流體動力學(xué)（CFD）研究。研究內(nèi)容包括：①過濾器出口的模型；②匯管入口處上游S型雙彎頭處的模型；③匯管入口處的模型；④包括90°彎頭在內(nèi)的6條測量管線中的模型；⑤測定孔板入口處的速度分布和旋轉(zhuǎn)流的角度；⑥法蘭取壓孔板的模型并估算流量計的誤差。由NEL所進(jìn)行的CFD專題研究工作證實：新修訂的ISO－5167標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的孔板上游直管段長度是確定需要的。
    為實現(xiàn)該站計量系統(tǒng)現(xiàn)代化的目標(biāo)，從技術(shù)上分析曾有兩種可行的方案：
    （1）可維持下去的方案，即孔板加整流器的方案。
    （2）采用其他代替技術(shù)的方案，同時應(yīng)滿足計量不確定度≤±1％；還能滿足在現(xiàn)有直管段條件下現(xiàn)有效計量，可減小維護(hù)工作量，處長使用壽命等要求。（即3臺多聲道超聲串聯(lián)3臺渦輪表的方案）。
    關(guān)于流動調(diào)整器，ISO－5167和AGA3都建議對流動調(diào)整器進(jìn)行“型式測試”，在標(biāo)準(zhǔn)推薦的四種流動調(diào)整器中專利的Gallager和NOVA的50E型隔離式流動調(diào)整器都已通過“型式測試”。因此，采用流動調(diào)整器被認(rèn)為是一咱可以維持現(xiàn)狀的方案。然而，采用它將進(jìn)一步增大壓損，原來負(fù)擔(dān)沉重的維護(hù)仍居高不下。此外，為在6條24″（DN600）的大口徑管道上安裝大型流動調(diào)整器所進(jìn)行的工作，包括切開管線，焊接法蘭，裝入整流器，清洗，吹掃，打壓，耐壓測試與試漏等一系列工作的工作量也是相當(dāng)巨大的。在進(jìn)行了基建原始投資與運行的全程計算分析后，結(jié)果對（2）方案有利。
    現(xiàn)就方案（2）作進(jìn)一步的論證：
    超聲流量計或渦輪流量計都是可供選擇的流量計，而且兩者都只需選用3臺（2用，1務(wù)）就可以取代原來的6臺孔板流量計。由這兩種表都通過測速而測得氣體的體積，在它們的流量公式中沒有“密度”這個參數(shù)，并不像孔板流量計的工作公式中有“密度”這個參數(shù)，需要用密度計（或其他間接方法）測得工況下氣體的密度，才能算出氣體的體積流量，又由于孔板流量計流出系數(shù)的不確定在ISO標(biāo)準(zhǔn)中承認(rèn)已是±0．5％，影響因素多，因此采用超聲或渦輪能獲得較高的測量準(zhǔn)確度。采用用于貿(mào)易輸送的多聲道氣體超聲流量計作出表的有如下7條：
    （1）它已取得許多權(quán)威的計量部門認(rèn)證。上游僅要求10D，下游僅要求5D的直管段；
    （2）超聲流量計結(jié)實耐用，無轉(zhuǎn)動部件，無過負(fù)載而被損壞的危險；
    （3）量程比寬，測量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0．5％，無壓損；
    （4）在使用前可對該表進(jìn)行實流校準(zhǔn)，檢定周期一般為4至5年；
    （5）超聲流量計的最大潛在優(yōu)勢是使維護(hù)的工作量大大減少；
    （6）在整個使用壽命中可以多次重校和重新認(rèn)證；
    （7）有較強大的自檢與自診斷功能；如實測的聲速（VOS）可隨時與計算得出的VOS進(jìn)行比較等。
在確定選用三臺多聲道氣體虧聲流量計作為該貿(mào)易計量站的主計量表后，由計量主管部門、買主、輸氣公司和賣主四方協(xié)商一致決定在每一臺超聲流量計的下游都分別串接上一臺氣體渦輪流量計作為對照檢查用表，以確保流量量值的可信度（有效性）。該渦輪表在上游2D條件下完全符合ISO－9951。
    按方案（2）改造的該站于2000年8月1日投運，投運半年后的實際效果證明已完全達(dá)到現(xiàn)代化改造的設(shè)計要求。由于不再有校準(zhǔn)差壓變送器的工作，也不再需要檢查孔板流量計或檢查密度計，使得維護(hù)的工作量大大減少�，F(xiàn)在有限的維護(hù)工作包括校準(zhǔn)6臺壓力變送器，3個測溫元件和對渦輪流量計的定期加油潤滑。此外，超聲流量計的自診斷功能大大增強了操作者對整個計量系統(tǒng)運行的信心。計算得出的VOS與實測得出的VOS符合 程度達(dá)到0.1%~0.2%（預(yù)定指標(biāo)為1％）。這使得該項目的有關(guān)部門對氣體超聲流量計、溫壓測量結(jié)果和在線氣體色譜儀都更有信心。這對進(jìn)一步的能量計量都是十分重要的�，F(xiàn)在由于每條測量管線上都安裝了兩個壓力變送器，因此這兩臺表的誤差也能及時發(fā)現(xiàn)。由超聲和渦輪這兩種流量計在每一小時內(nèi)所測得以標(biāo)立方米為單位的體積總量，其一致程度在±0．3％以內(nèi)。（預(yù)定指標(biāo)為±0．5％）這樣，超聲和渦輪這兩種流量計就都展示了它們能在有干擾的流動條件下仍保持滿意的計量特性�？装濉⒊�聲、渦輪、渦街的性能對比如表4所示。

    三、結(jié)束語
    修訂中的ISO－5167規(guī)定在孔板上游使用更長的直管段，這對于已建成的或正在設(shè)計中的天然氣貿(mào)易計量站無疑會造成一定沖擊或帶來不同程序的影響。本文介紹了英國采用超聲流量計取代孔板實現(xiàn)天然氣貿(mào)易計量的成功經(jīng)驗，這也是針對ISO標(biāo)準(zhǔn)的新要求而在技術(shù)上采取的一種應(yīng)對措施。其實，在我國也早已有這方面的成功實踐，位于北京通州區(qū)次渠鎮(zhèn)的北京東效天然氣計量站，原設(shè)計擬采用4路DN400孔板（3用，1備），后經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析決定采用DN400的兩臺三聲道氣體超聲流量計取代了4臺孔板流量計及相應(yīng)的管道與閥門，不僅使總投資節(jié)省了1／4，占地面積減少而且提高了該站的計量技術(shù)水平，自2000年12月正式以來，至今運行平穩(wěn)正常。