天然气孔板流量计量的误差分析及改进.docx
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天然气孔板流量计量的误差分析及改进
高等教育自学考试质量技术监督管理专业
毕业设计
题目：
天然气孔板流量计量的误差分析及改进
专业：
质量技术监督管理
考号：
400109171024
考生姓名：
韩陆_
指导教师：
王伟华
哈尔滨理工大学
2010年8月30日
摘要
随着工业自动化技术的发展，变频器的应用越来越广泛，其优良的调速性能和明显的节能效果也被人们日益称道，但变频器在运行过程中产生的谐波对电网的危害也愈发严重，因此，抑制谐波干扰，改善电能质量的要求也越来越迫切。
本文对变频器的原理进行了阐述，并对应用过程中存在的谐波干扰问题，进行了详细地阐述，提出了解决的办法
关键词变频器，谐波，滤波，变频器干扰
Abstract
Asakindofhighqualitynaturalenergyandchemicalrawmaterials,itsmeasurementmoreandmoreattentionbypeople.Sothegasmeasuringworkappearsespeciallyimportant,andtheaccuracyofthemeasurementofgasflowintheuseofnaturalgasisanimportantproblemmustbesolved.Inenterpriseproductionandmanagementofflowmeasurementisadailybasisofimportanttechnologies.Accuratemeasurementofgascannotonlyfairtradesettlement,andcanimprovetheproductionprocess,improveproductquality,reduceproductioncostandimprovetheeconomicbenefitandsocialbenefit.
Gasmeteringwithdifferentialflowmeterisnowtheorificeflowmeter.Inactualproduction,duetotheinfluenceoftheorificeflowmetermeasurementerrorreasonisverycomplex,oftenleadstoitscannotsatisfythemeasurementaccuracyrequirements.Therefore,findoutthemeasuringerrorandimprovementmeasuresareproposedforpracticalproductionactivitieshasimportantsignificance.Thismeasureerror,usefromconditionschangeerror,errorandcalculatingcoefficientsoftemperamentalconditionscausedbyerror,andotherfactorsareanalyzedintermsoftheerrorcausedbyfivefactorsofmeasuringerror,andputsforwardthestrictlyaccordingtothestandardprocessingorificeplate,correctinstallationandrationalselectionofdifferentialpressurerange,eliminatepulsation,reducetheflow,reasonablesolutionexcessripple,strengtheningthedailymanagement,theparametersreasonablyfixedquantity,istoensurethatthegasmeasurementaccuracyoftraceabilityandeffectivemeasuresandusingcanchangeorificeplateandcustomizedthrottledevice,expandthescalerangethrottledevice,promotingthedevelopmentofautomationintelligentmeasuringwaysandusesofcomputernumericalsolutionflowimprovementmeasuresofsixaspects.Finallythefuturedevelopmentdirectionoftheorificeflowmeter.
KeywordsGasmeasurement；Orificeflowmeter；Erroranalysis；Measuresforimprovement
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1天然气流量计量的重要性1
1.2我国天然气计量的发展现状及发展趋势1
1.2.1我国天然气的发展现状1
1.2.2天然气计量的发展趋势4
1.3进行孔板流量计误差分析和改进的意义5
第2章天然气计量仪表分类7
2.1天然气流量计量标准7
2.2天然气计量仪表的分类8
2.2.1孔板流量计8
2.2.2气体涡轮流量计12
2.2.3超声波气体流量计13
2.2.4其他新型流量计量技术13
第3章孔板流量计流量计量的误差分析及改进15
3.1引起误差的主要因素15
3.1.1计量仪表误差15
3.1.2使用条件变化引起的误差16
3.1.3气质条件引起的误差17
3.1.4计量系数引起的误差17
3.1.5其他原因引起的误差18
3.2相关的改进措施19
结论22
参考文献23
致谢24
第1章绪论
1.1天然气流量计量的重要性
流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。
流量和压力、温度并列为三大检测参数。
对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。
能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量和压力、温度仪表一样得到最广泛的应用。
天然气作为一种优质能源和化工原料，其计量越来越被人们重视，所以天然气计量工作显得尤为重要，而天然气流量计量的准确性是天然气使用中必须解决的一个重要问题。
在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常进行的重要的技术基础工作。
天然气的准确计量不但能公平的贸易结算，而且能改进生产工艺，提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益和社会效益。
天然气流量是油气田勘探开发、科研、生产和经营分析论证的重要依据；是制定或调整天然气开发方案和经济结算方面的理论基础；同时也是企业内部经营管理、计算和考核各类设备的经济技术指标，制定或调整远景规划及年度规划方面不可缺少的数据。
目前，谈到天然气的计量实际上就是天然气流量的测量，它是在天然气流动过程中间接测量的，测量的准确度取决于整套测量系统的合理设计、建设、操作和维护等全过程的质量。
为了保证计量系统按统一的技术要求进行全面质量管理以及天然气计量的准确度，制定科学合理的天然气计量标准是非常必要的。
由此可见，天然气流量计量作为监视天然气开发生产、集输处理和供气全过程的“眼睛”，是做好各项工作的技术保障，它的准确也是计量工作的基本要求
1.2我国天然气计量的发展现状及发展趋势
1.2.1我国天然气的发展现状
流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统，古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。
17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。
自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。
20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。
至今，据称已有上百种流量计投向市场，流量测量中许多棘手的难题可望获得解决。
我国天然气计量起步较晚，在仪表的使用和选型上，主要以孔板为主，其比例约占88%，采用的是几何检定法。
从20世纪70年代以来，我国参照国外系列标准，结合自己的实际情况，在天然气仪表的设计选型、使用、安装、维护、管理、气质分析等方面作了相应的工作，得出一些较重要的结论，同时对现场阻力件、复杂工况影响，摸索出了一些成熟的经验，在标准方面，形成了《天然气流量的标准孔板计量方法》（SY/T6143-1996）标准、等效采用ISO5167并形成了GB2624标底。
但就天然气流量计量总体技术与水平而言，与国外相比还存在显着差距。
例如，我国大量使用的孔板节流装置及其二次仪表双波纹管差压计的计量技术，由于其固有的缺陷，如孔板在使用过程中的不断磨损、腐蚀，阻力件组合形式远不止标准规定的7种情况，现场旋涡流、脉动流等影响因素复杂，对于气量波动大、变化频率高的状况适应性差，导压管易引起信号滞后，因此不能保证其计量准确度。
近几年来，我国天然气计量技术的现状具体可概括有如下几点：
图1-1智能化的标准孔板构造图
Figure1-1IntelligentStandardOrificePlateTectonicMap
1.孔板节流装置二次仪表智能化。
在二次仪表方面，对部分天然气计量装置进行了改造，现场逐步采取配用智能压力变送器、温度变送器，流量计算机以取代双波纹管差压计，从而实现计量自动化。
该系统变送器具有准确度高、稳定性好，可利用它的通讯功能进行在线故障诊断、组态和校验，天然气流量计量逐步走向在线、智能、实时计量。
图1-1即为二次智能化后的标准孔板内部构造图。
2.适应中小流量的新型智能式流量计得以推广与应用。
为解决部分现场在中小流量和中低压情况下流量波动较大，孔板计量准确性较差的特殊难题，国内推出智能漩进旋涡流量计、智能涡轮流量计。
该类流量计能在线采集压力、温度、工况流量、标定流量、实时修正压缩因子以及自动进行温度、压力补偿。
经过实流标定和在现场较大范围应用（如四川、新疆、大港、大庆、河南等），效果较好。
近期又出现了该类型的双探头智能流量计，抗干扰能力进一步增强。
3.国内开展了高压大流量计量技术的研究。
随着国外气体超声流量计的迅速发展，我国及时跟踪国外先进计量技术，自1999年以来，由国家原油大流量计量站成都天然气流量分站（以下简称计量分站）牵头，对具有典型代表的美国Daniel、荷兰Instromet、美国Contronlotron所生产的气体超声流量计进行了实流测试，研究在理想安装条件、非理想安装条件、旋转不同角度安装条件、带压更换超声换能器、不同压力条件、声道故障状态的性能并进行现场应用。
得出气体超声流量计干校后仍需实流检定和周期送检等重要结论。
经过天然气实流测试后，北京、大庆、新疆、四川、天津、河北等已逐步引进气体超声流量计约40台。
口径控制在DN150mm～DN400mm，不确定度为0.5%～1.0%。
4.实流检定技术得到了发展。
过去标准孔板一直沿用“几何检验法”，流量检定装置通常使用空气作介质，负压检定。
最近几年，实流检定技术日趋成熟，已建立起全套天然气实流检定方法、程序、管理制度，并与国外如美国、荷兰、英国、德国等技术和水平逐步靠近。
为了更好地模拟现场工况，减少装载、运输带来的系列困难，控制和合理减少现场计量误差，我国实流检定逐步从室内走向现场。
如，国家原油大流量计量站（大庆）的移动式音速喷嘴标定车（压力1.6MPa、管径DN200mm、流量90000m3/h），计量分站新购置的移动式气体超声流量标定车（压力6.4MPa、管径DN600mm、工况流量80～8000m3/h）。
5.标准逐步得到完善与统一。
如《用气体超声流量计测量天然气》非等效采用AGANO.9，同时也参考了ISO/TRl2765的部分内容，2001年4月，已通过国家专标委评审。
《天然气计量系统技术要求》，非等效采用PREN1776：
《天然气测量系统基本要求》，2001年8月已通过国家专标委评审。
目前正准备起草《用涡轮流量计测量天然气》国家标准。
6.积极开展了国际流量比对工作。
国外流量比对起步较早，最近几年华阳计量分站在天然气流量方法与美国CEESI、美国SWRI、荷兰NMI、德国PIGSAR进行了初步的流量比对工作，结果基本一致。
近几年来，我国天然气流量计量取得较大科研成就。
比较典型的科研项目有：
“天然气、空气、水为介质对孔板计量性能的影响研究”、“天然气计量技术研究”、“气体超声流量计的测试与现场应用研究”、“新型流量计及新型整流器的研究与应用”、“安装条件对孔板影响因素的研究”等。
我国参与国际计量学术活动比较频繁，如参加美国API会议、参加英国国际法制计量组织（OMIL），主持和申办国际流量测量学术会议FLOMEKO和ISO/TC193等。
1.2.2天然气计量的发展趋势
随着中国加入WTO，外资企业不断进人我国天然气市场以及引进国外天然气的可能性，天然气计量与国际接轨已经成为一种必然趋势。
综合分析表明，天然气计量技术的发展将体现在以下几个方面：
1.计量方式的自动化、智能化和远程化。
由于电子技术、计算机以及互联网技术的迅猛发展，天然气计量已逐步向在线、实时、智能靠近，同时依托网络技术实现远程化通讯、控制和管理，如SCADA系统的应用和智能涡轮流量计系统。
2.流量计的干校技术。
流量计可实施干校（无须实流校验）是仪表先进性的标志，所有类型流量计都在追求实行干校，但是并非全部流量计皆可实现。
干校给仪表制造厂和用户带来巨大的经济利益。
超声流量计由于其本身工作原理的特点，实行干校独具优势。
初步研究表明，气体超声流量计实行干校是完全可能的，对于时间传播法，它可由时间和长度二个参数进行干校，求得流量计的仪表系数。
3.流量计的计量溯源性。
由于流量参数的动态性质，仪表准确度存在较大问题之一是计量溯源性。
至今国际上还没有公认的流量量值的实物标准，流量量值的统一采用装置比对实现。
流量量值的原级标准是一座流量标准装置，在装置上把各基本量（长度、质量、时间及温度）综合为导出量——流量，然后把流量量值传递给一台或一组流量计，称为传递标准（流量量值的载体），藉助传递标准把量值传递到工作仪表。
由此可见，原级标准是一种固定装置，其特点与流量计有较大差别，不仅标准没有移动性，它也无法实际反映流量参数的动态性质。
如果能够在一台流量计上把基本量综合为导出量，它将是一台原级标准。
时间传播法超声流量计的流量方程主要由二个基本量组成：
时间和长度。
现在国际上有些专家已注意到这个
特点，认为超声流量计存在成为原级标准的可能，如果这可能变为现实，则流量测量技术将产生革命性的变化。
4.计量仪表的多元化。
过去流量仪表选型比较单一，近几年随着对流量计的研究和开发，不同的流量计有不同的特点和适应范围，流量仪表选型由此呈现从单一仪表向多元化仪表方向发展。
如，对中低压、中小流量可选择智能型速度式流量计（涡轮、漩进旋涡流量计）；对高压、大流量可选择气体超声流量计。
近期，又出现了一种新型流量计——内文丘利管，它可适合流量变化范围大的中低流量工况。
5.计量标准体系的完善。
我国天然气计量标准不断发展、丰富和完善，结合国外标准后我国流量计量标准已基本构成完整的体系，正逐步由单一标准向多重标准发展。
6.计量方式从体积计量过渡到能量计量。
天然气的能量计量是在体积测量的基础上，再配备天然气发热量的测量装置。
在天然气贸易计量中，以能量的方式进行结算是最公平的方法。
随着市场经济的完善和我国加入WTO，在我国天然气贸易计量中实行能量计量势在必行。
我国已有一些天然气计量站配备天然气在线分析系统，它可提供天然气组成和发热量的数据，如华北油田向北京供气的东郊门站配备有引进的天然气流量计算机和在线气相色谱仪等。
1993年华北油田向北京市供气的第二条输气管道投产，建在这条管道末端的南郊门站配备有从美国贝克公司引进的天然气流量计算机和在线气相色谱仪，十几年来华北油田除按体积流量计量外，同时也记录了天然气的发热量。
为了适应能量计量方式的需要，我国应该积极进行天然气按能量计量的试点工作，推出天然气按能量计量的法规性管理文件；开展天然气能量计量配套技术研究，积极推行天然气能量计量体系；积极完善和制定天然气计量的有关标准，特别要尽快研究制定天然气能量计量的有关标准和天然气产品质量标准及其检测方法标准。
1.3进行孔板流量计误差分析和改进的意义
由于天然气管道的迅速发展，要求对天然气流量进行更加准确的计量。
而孔板计量方式结构简单、投资少、计量精度较高，成为我国天然气流量最主要的计量方式，在全国各大油田均有应用。
据调查，石油天然气行业采用孔板流量计作为贸易计量的约占95%以上。
孔板流量计是通过测量安装在管路中的同心孔板两侧差压来计算流量的一种检测设备。
它由节流装置、差压计、压力计和温度计等组成。
它以能量守恒定律和流动连续性方程为理论依据，由标准节流装置产生差压，应用成熟可靠的仪表进行差压、压力、温度测量，由流量积算仪或计算机控制系统进行计算得到天然气的流量。
在实际生活中，由于计量仪表误差以及使用条件变化打来的误差往往使孔板流量计的精度不能达到要求。
因此，找出引起误差的因素，提出改进措施对于提高天然气计量精度具有重大意义。
本文主要介绍孔板流量计在使用过程中出现的误差，从计量仪表误差、使用条件变化误差、气质条件误差、计算系数误差和其他因素引起的误差五个方面分析了引起计量误差的主要因素；同时提出了严格按照标准加工孔板，正确安装，合理选择差压量程、消除脉动流，减小脉动影响，合理解决超量、加强日常管理，对参数进行合理修正、量值溯源是确保天然气计量准确度的有效措施、采用可换孔板节流装置和定制节流装置，扩展量程范围、推进计量方式的自动化智能化发展和采用专用流量计算机的积算方案六方面的改进措施，努力实现孔板流量计的最精确测量。
第2章天然气计量仪表分类
2.1天然气流量计量标准
天然气计量实际上是天然气流量的测量，是在天然气流动过程中间接测量的，测量的准确度取决于整套测量系统的合理设计、建设、操作和维护等全过程的质量，为了保证计量系统按统一的技术要求进行全面质量管理，保证天然气计量的准确度，制定科学合理的天然气计量标准是非常必要的。
如图2-1所示，在天然气计量的相关标准中，流量计量系统标准是主要的，另外它还应包括天然气密度，组成，发热量，压缩因子等相关参数的测量和计算标准，还有仪器仪表、设计及安全等标准。
天然气计量涉及到设计、建设、投产、操作、维修、检验、检定以及安全环保等各个方面，因此其相关标准是很广泛的。
图2-1天然气流量计量系统标准
Figure2-1GasFlowMeasurementSystemStandards
美国石油工业发达，天然气计量技术先进，有严格完善的法规、标准和先进的计量设备。
1978年美国通过了天然气法，统一各州和联邦政府之间的天然气价格，规定了以每立方英尺实际的能量含量作为天然气价格的基础，改变了天然气传统的计量方式，这种新的计量方式是结合天然气的质量测量和发热量测量两种独立的测量系统而产生一个新的天然气能量测量系统。
我国尚未形成天然气计量的系统标准。
国内目前在天然气计量中采用《天然气流量的标准孔板计量方法（SY／T6143—1996）》、《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法（GB／T11062—1998）》等计量标准，但这些标准尚没有覆盖天然气计量的各个方面，特别是在天然气贸易计量中缺乏天然气计量系统统一的、系统的技术标准。
为了适应我国天然气日益国际化的需要，必须加快我国天然气计量标准与国际接轨的步伐。
2.2天然气计量仪表的分类
2.2.1孔板流量计
图2-2孔板流量计
Figure2-2OrificeFlowmeter
如图2-2所示，孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器（或差压变送器、温度变送器及压力变送器）配套组成的高量程比差压流量装置，它可测量气体、蒸汽、液体及引的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。
节流装置又称为差压式流量计,是由一次检测件（节流件）和二次装置（差压变送器和流量显示仪）组成广泛应用于气体.蒸汽和液体的流量测量.具有结构简单,维修方便,性能稳定。
孔板流量计的工作原理是当气体流经孔板时，其前后产生的压力不同，导致充满管道的流体在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在其上游和下游两侧产生静压力差,通过此压力差来计算流量。
下表2-1是它的主要结构分类：
表2-1孔板流量计的分类
Table2-1OrificeFlowmeterClassification
代号
按其结构形式细分
H
标准孔板（环式）
Y
标准孔板（法兰）
K
标准孔板（钻孔）
I
ISA1932喷嘴
L
长颈喷嘴
W
文丘利喷嘴
G
经典文丘利管
S
双重孔板
Q
圆缺孔板
Z
锥形入口孔板
R
1/4圆孔板
P
偏心孔板
N
整体（内藏）孔板
X
楔形孔板
原始的孔板流量计的主要特点如下：
①节流装置结构易于复制，简单、牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉
②孔板计算采用国际标准与加工
③应用范围广，全部单相流皆可测量，部分混相流亦可应用
④标准型节流装置无须实流校准，即可投用
⑤一体型孔板安装更简单，无须引压管，可直接接差压变送器和压力变送器
改进后智能型的主要特点有：
①采用进口单晶硅智能差压传感器
②高精度，完善的自诊断功能
③智能孔板流量计其量程可自编程调整
④可同时显示累计流量、瞬时流量、压力、温度。
⑤具有在线、动态全补偿功能外，还具有自诊断、自行设定量程
⑥量程范围宽、大于10：
1
⑦配有多种通讯接口
⑧稳定性高
目前，孔板流量计的应用及其广泛，流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域：
1.工业生产过程
流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。
在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：
作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
2.能源计量
能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。
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