国际流量测量技术学术动态及发展趋势

国际流量测量技术学术动态及发展趋势

国际流量测量界所召开的最重大的学术会议主要有以下两个：
    （1）2001年5月7~10日在苏格兰，皮布尔斯（Peebles)召开的“2001国际流量测量学术会议”（FLOW MEASUREMENT 2001 INTERNATIONAL CONFERENCE）。该会议由NEL主办，会议的主题是：“在工业各领域中创造效率”。
    （2）2002年4月7~10日在美国首都华盛顿附近的阿林顿（Arlington）召开的“第5届国际流体流量测量学术会议（The 5th International Symposium on Fluid Flow Measurement)，在此次学术会议的前后还在同一地点召开了ISO／TC30SC2；ISO／TC30／SC5；ISO／TC30／SC9的工作会议以及CIPM／CCM／WGFF流量工作组的第3次会议。
    从以上所述这两次国际学术会议上所发表的近百篇学术论文以及ISO／TC30三个分委员会的会议和WGFF的会议，集中反映了当今国际流量测量技术的最新水平，并展示了流量测量技术的发展趋势及主要方向。本文拟介绍国外流量测量技术的若干动向，以供国内有关部门考虑问题时作为参考。

    一、差压式流量计国际标准的新变化

    1.1关于国际标准ISO5167的修订工作
    采用孔板、喷嘴和文丘里管等节流装置的差压式流量计是一种应用面最广，应用量最多的流量仪表，这类仪表占整个流量计的60~70％。因此ISO5167的修订工作一直是ISO／TC30／SC2的重点项目。由于我国的GB／T2624－93就是等效采用ISO5167－1（1991）的，因此ISO5167的修订也更为我国流量界所瞩目。ISO5167的修订已有约10年的历史，现已进入DIS的最后阶段。ISO5167新标准的最终草案共包括以下4部分，即：

    ISO／DIS5167－1（第1部分：总则）；

    ISO／DIS5167－2（第2部分：孔板）；
    ISO／DIS5167－3（第3部分：喷嘴与文丘里喷嘴）；
    ISO／DIS5167－4（第4部分：文丘里管）。

    ISO／TC30／SC2计划将于今年7月将最终草案分发到各成员国征求意见，经过3个月，预计将于今年9月投票表决。被批准认可的DIS将被注册登记为FDIS。初步计划在今年10出版FDIS。
    1.2 ISO5167新标准所修改的主要内容：
    （1）根据大量数据回归的R／G公式取代了原来的Stolg公式；
    （2）在没有流动调整器的条件下，对孔板（或文丘里管）与一些上游阻流件之间所需要的最小直管段提出了全新的及更长的要求，详见表1（文献1）；表2和表3；
    （3）如在孔板上游安装流动调整器则可以适当缩短孔板上游的直管段；（详见标准中相应表格）；
    （4）采用新公式来计算孔板的可膨胀性系统；
    （5）修订了关于孔板的不同轴度、不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求…等。
    1．3 为修订ISO5167所进行的补充实验
    同轴或不同轴的渐扩管和渐缩管是相当常用的阻流件。在API／ANSI2530（1991－1999）的标准中将渐扩管与渐缩管归为同一类阻流件，这与ISO5167－1991有明显的不同。例如在β=0.75时，API标准要求为13D，而ISO标准则要求在渐缩管后有22D，在渐扩管后要求有38D，即渐扩管后要有比渐缩管后更长的直管段。据文献（2）报导：实验数据说明API／ANSI老标准中关于渐扩管后直管段的规定不对，应予以改正。但是，还需要从另一个独立的实验室中获得另一组数据来证明同一问题后，才能对API／ANSI老标准的这条规定进行修订。实验还发现：不同轴的渐缩管或渐扩管以及闸阀对测量的影响与取压口的方位有关，随着L／D的增加，因取压口方位不同所受的影响会减少。总的说来，不对称组件（即不同轴的各种阻流件）比同轴阻流件要求有更长的直管段。实验证明：API／ANSI老标准中对同轴缩管及闸阀后直管段的规定是适当的；在低压空气装置上作上述实验，同样可获得高质量的实验数据，而且还易于操作并且花费更少。在垂直平面上的两个90°弯头的实验是在高压气体流量装置上进行的。实验证明：如果S为O，两弯头间无法兰，则在高ReD下，旋转流的耗散要缓慢得多，甚至在此双弯头后81D处，仍能影响孔板流量计的不确定度，可测得较大的正的系统误差。
    新修订的ISO－5167和API／ANSI－2530标准中，在没有流动调整器的条件下，在孔板上游都推荐使用更长的直管段（详见表1）。然而，有些新的推荐值只是根据了有限的几组数据。因此有必要对数据较少的那些安装条件或上游阻流件的几何参数局限于一定范围的安装条件补作实验并重复检查孔板流量计的性能。据文献（3）的报告，实验是在一个低压空气装置上作的，选用的上游阻流件有T形管、成45°角斜接的90°弯头和在同一平面上的两个45°弯头，而且两个弯头之间的间距S很短（S＝2D~10D）。用作弯头的T形管有几种形式：如带锐边的；边缘倒圆的或边缘倒圆带有延长管的T形管等。利用上述各种形式的T形管作为上游的弯头进行实验表明：新修订的ISO孔板标准在适应上游阻流件几何参数的变化方面是足够保守的。只在有实验带10D（的）延长管的T形管时，新标准推荐的直管段略显稍短。对于45°角斜接的90°弯头可以按照用作弯头的T形管或单个90°弯头等阻流件的要求，选定所需的直管段。对于在同一平面上的两个45°弯头（S＝2D~10D），其后所要求的直管段类似于在同一平面内的两个90°弯头且S≥22时所要求的直管段。通过以上实验证明了如下两条结论：
    1．新的ISO及API／ANSI／AGA孔板标准中所推荐的上游最小直管段绝对不是过于保守的；
    2．在新标准关于最小直管段的表格中，上游阻流件的几何参数在一定的容许范围内是可以扩展或变化的。
孔板流量计上游的管径突变对孔板流量计流出系数的影响是文献4的主题。现有的一个孔板流量计是否可以与不同管径的工艺管路相连接？对于一个经党校准孔板流量计的实验室也经常会面对同样的问题。现在ISO－5167－1：1991标准对孔板上游管径的要求是相当严格的，在国标GB／T2624－93中6.5.1.2条明确规定：“离节流件2D以外，敷设在节流件与第一上游阻流件之间的上游管段，可由一种或多种截面的管道组成，只要任一台阶不超过6.5.1条规定的±0．3％的圆度要求，则流出系数无附加不确定度。”
    第一阻流件有可能在孔板上游100D处（D为管道内径），如果是小管径，则可能必须将上游的整个管道进行加工以满足上述0.3％的要求。但如果台阶出现在2D处和50D处，在两处按相同的要求来处理管径突变问题可能是不必要的。作者用管壁系列号为80，120和10的管道安装在管壁系列号为40的孔板流量计的上游的不同距离（5D，9D，14D，21D，31D和46D）处。实验证明ISO－5167－1：1991中对上游管道连接处台阶的要求过于保守。实验所得数据将和于新修订的ISO－5167－2标准，用来推荐最大允许的台阶值。实验还证明：大于0．3％的台阶的位置台在46D以外时，影响已小于0.1％。
    综上所述，以上文献（1至4）中所报导的近几年来的补充实验工作及其结论对于ISO－5167，API／ANSI－2530和AGA－3等标准的修订是十分有益的。所获得的实验数据是修订标准的依据。与修订前的ISO－5167相比较，新修订的标准在上有许多实质性的变化，其中最主要的一条变化就是对孔板等节流装置的上游最小直管段提出了全新的和加长的要求。对这种新变化和新要求应予以高度重视。

    二、如何应对ISO－5167修订后的新变化与新要求
    由于流量计的使用目的和应用场所的不同，对其准确度的要求也各不相同。按使用目的分类，大概可以将流量计分为以下三大类（文献5）：
    1．用于贸易输送计量的或用来校准其他流量计的；对此类流量计的计量学特性有严格要求；
    2．用于一般性的监测或检测；
    3．用于一般性的过程控制。
    对于2、3类流量计的准确度要求可适当放宽，应对办法也不同。针对修订的ISO－5167－2的新要求，在一个气体贸易输送计量站上是如何应对的？长达25页的文献6作了详尽的分析报告，他们的经验值得我们参考与借鉴。现将该文摘要汇报如下：
    烃源有限公司（简称HRL）下属的南莫克姆（South Morecambe）天然气计量站是英国最大的天然气贸易计量站之一，每日的气量高达5千万标立方米，该站于1985年投运。1998年HRL决定对该站使用孔板的天然气贸易计量系统进行现代化改造，并开始可行性分析研究。通过审查发现使用孔板有如下几个主要问题：
    1．现场孔板上游的直管段长度太短，不符合新修订的ISO－5167和AGA3中关于孔板上游最小直管段长度的要求。原有的计量系统由6个24″（600mm）的孔板流量计组成（为4用，2备）；6路孔板的上游各有一个90°弯头，六个孔板与上游90°弯头之间的直管段长度在18D至41D之间不等。6个90°弯头的上游有6条平行管线接入一个共用的汇管。按现行的ISO－5167（1991）查表：在单个90°弯头的下游，β＝0．6和零附加不确定度条件下，要求孔板上游的最小直管段l1＝18D，如按新修订的ISO－5167和AGA3要求，l1分别应为42D和44D。按ISO新标准要求在汇管之后应使用流动调整器；按照AGA3新标准，汇管应属于“任何其他阻流件配置”范畴，要求有145D的上游直管段。而现场实际最短的只有48D。
    2．孔板流量计维护的工作量太大，维护费用昂贵，维修负责太重，运行费用高。
现场孔板流量计的每一条管线上都装有三个不同压差测量范围的差压变送器，一个静压变送器，一个密度计，一个流量计算机和一个测温元件。此外在总管线上还装有一台共用的气相色谱仪和一台相对密度分析仪。原有孔板计量系统的维护费用相当昂贵，例如，仅为校准状压变送器每年需花费掉600个人时。要求孔板每年检查两次，每年重校一次。要求每2个月检查一次密度计，每年重校它一次。
    3．孔板流量计的压损太大，直到新的压缩装置建成之前，此压损问题在该站一直十分尖锐。
    应该补充说明的是：在研究新标准所规定的直管段长度时，负责设计的B&R公司对新规定曾有一定疑虑，为此他们决定请英国国家工程实验室（NEL）的专家，专门针对该站的管路配置和孔板 一计量系统进行专题的计算流体动力学（CFD）研究。研究内容包括：①过滤器出口的模型；②汇管入口处上游S型双弯头处的模型；③汇管入口处的模型；④包括90°弯头在内的6条测量管线中的模型；⑤测定孔板入口处的速度分布和旋转流的角度；⑥法兰取压孔板的模型并估算流量计的误差。由NEL所进行的CFD专题研究工作证实：新修订的ISO－5167标准中所规定的孔板上游直管段长度是确定需要的。
    为实现该站计量系统现代化的目标，从技术上分析曾有两种可行的方案：
    （1）可维持下去的方案，即孔板加整流器的方案。
    （2）采用其他代替技术的方案，同时应满足计量不确定度≤±1％；还能满足在现有直管段条件下现有效计量，可减小维护工作量，处长使用寿命等要求。（即3台多声道超声串联3台涡轮表的方案）。
    关于流动调整器，ISO－5167和AGA3都建议对流动调整器进行“型式测试”，在标准推荐的四种流动调整器中专利的Gallager和NOVA的50E型隔离式流动调整器都已通过“型式测试”。因此，采用流动调整器被认为是一咱可以维持现状的方案。然而，采用它将进一步增大压损，原来负担沉重的维护仍居高不下。此外，为在6条24″（DN600）的大口径管道上安装大型流动调整器所进行的工作，包括切开管线，焊接法兰，装入整流器，清洗，吹扫，打压，耐压测试与试漏等一系列工作的工作量也是相当巨大的。在进行了基建原始投资与运行的全程计算分析后，结果对（2）方案有利。
    现就方案（2）作进一步的论证：
    超声流量计或涡轮流量计都是可供选择的流量计，而且两者都只需选用3台（2用，1务）就可以取代原来的6台孔板流量计。由这两种表都通过测速而测得气体的体积，在它们的流量公式中没有“密度”这个参数，并不像孔板流量计的工作公式中有“密度”这个参数，需要用密度计（或其他间接方法）测得工况下气体的密度，才能算出气体的体积流量，又由于孔板流量计流出系数的不确定在ISO标准中承认已是±0．5％，影响因素多，因此采用超声或涡轮能获得较高的测量准确度。采用用于贸易输送的多声道气体超声流量计作出表的有如下7条：
    （1）它已取得许多权威的计量部门认证。上游仅要求10D，下游仅要求5D的直管段；
    （2）超声流量计结实耐用，无转动部件，无过负载而被损坏的危险；
    （3）量程比宽，测量准确度优于±0．5％，无压损；
    （4）在使用前可对该表进行实流校准，检定周期一般为4至5年；
    （5）超声流量计的最大潜在优势是使维护的工作量大大减少；
    （6）在整个使用寿命中可以多次重校和重新认证；
    （7）有较强大的自检与自诊断功能；如实测的声速（VOS）可随时与计算得出的VOS进行比较等。
在确定选用三台多声道气体亏声流量计作为该贸易计量站的主计量表后，由计量主管部门、买主、输气公司和卖主四方协商一致决定在每一台超声流量计的下游都分别串接上一台气体涡轮流量计作为对照检查用表，以确保流量量值的可信度（有效性）。该涡轮表在上游2D条件下完全符合ISO－9951。
    按方案（2）改造的该站于2000年8月1日投运，投运半年后的实际效果证明已完全达到现代化改造的设计要求。由于不再有校准差压变送器的工作，也不再需要检查孔板流量计或检查密度计，使得维护的工作量大大减少。现在有限的维护工作包括校准6台压力变送器，3个测温元件和对涡轮流量计的定期加油润滑。此外，超声流量计的自诊断功能大大增强了操作者对整个计量系统运行的信心。计算得出的VOS与实测得出的VOS符合 程度达到0.1%~0.2%（预定指标为1％）。这使得该项目的有关部门对气体超声流量计、温压测量结果和在线气体色谱仪都更有信心。这对进一步的能量计量都是十分重要的。现在由于每条测量管线上都安装了两个压力变送器，因此这两台表的误差也能及时发现。由超声和涡轮这两种流量计在每一小时内所测得以标立方米为单位的体积总量，其一致程度在±0．3％以内。（预定指标为±0．5％）这样，超声和涡轮这两种流量计就都展示了它们能在有干扰的流动条件下仍保持满意的计量特性。孔板、超声、涡轮、涡街的性能对比如表4所示。

    三、结束语
    修订中的ISO－5167规定在孔板上游使用更长的直管段，这对于已建成的或正在设计中的天然气贸易计量站无疑会造成一定冲击或带来不同程序的影响。本文介绍了英国采用超声流量计取代孔板实现天然气贸易计量的成功经验，这也是针对ISO标准的新要求而在技术上采取的一种应对措施。其实，在我国也早已有这方面的成功实践，位于北京通州区次渠镇的北京东效天然气计量站，原设计拟采用4路DN400孔板（3用，1备），后经技术经济分析决定采用DN400的两台三声道气体超声流量计取代了4台孔板流量计及相应的管道与阀门，不仅使总投资节省了1／4，占地面积减少而且提高了该站的计量技术水平，自2000年12月正式以来，至今运行平稳正常。