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孔板流量計測量天然氣質量流量不確定度分析

作者: 來源: 發布時間:2021-02-26 08:55:14

 【摘 要】孔板流量計屬于標準型節流式差壓流量計,依據其測量天然氣質量流量計算公式可推知孔板流量計質量流量測量的不確定度來源于六個方面:流出系數的不確定度、可膨脹性系數的不確定度、測量管內徑的不確定度、孔板開孔直徑的不確定度、差壓測量的不確定度、天然氣密度測量的不確定度。

引言

隨著天然氣工業的不斷發展和天然氣市場的不斷拓寬,人們對商品天然氣計量技術的研究和發展更加重視。石油天然氣行業采用孔板流量計作貿易計量的約占95%以上,其計量性能直接影響到企業的經濟效益和用戶的利益。因此,對孔板流量計測量天然氣質量流量的不確定度進行細致的分析就變得尤為重要。

1 孔板流量計測量天然氣流量原理和計算公式

1.1 測量原理

孔板流量計是由標準孔板、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器及流量計算機配套組成的差壓流量裝置,可測量氣體、蒸汽、液體流量,具有結構簡單,維修方便,性能穩定,使用可靠等特點。

天然氣流經孔板時,流束在孔板處形成局部收縮,從而使流速增加,靜壓力降低,在孔板前后產生靜壓力差(差壓),天然氣的流速越大,孔板前后產生的差壓也越大,從而可通過測量差壓來衡量流過孔板的天然氣流量大小。這種測量流量的方法是以能量守恒定律和流動連續性方程為基礎的。

1.2 質量流量計算公式

天然氣質量流量計算公式如式(1):

孔板流量計測量天然氣質量流量不確定度分析

式中:q m——質量流量;C ——流出系數;ε——可膨脹性系數;?p——差壓;ρ1——天然氣在操作條件下上游取壓孔處的密度;β——直徑比,β = dD ;d——操作條件下孔板開孔直徑;D——操作條件下上上游測量管內徑。

2 不確定度分析

天然氣質量流量測量不確定度按式(2)估算:

天然氣質量流量測量不確定度按式(2)

式中:δC/C ——流出系數的不確定度;δε/ε——可膨脹性系數的不確定度;δ D/D ——測量管內徑的不確定度;δ d/d ——孔板開孔直徑的不確定度;δ?p/?p——差壓測量的不確定度;δρ1/ρ1——天然氣密度測量的不確定度。

2.1 流出系數的不確定度

當0.1≤β<0.2時,其值為(0.7-β)%; 當0.2≤β<0.6時,其值為0.5%; 當0.6≤β≤0.75時,其值為(1.667β-0.5)%; 當D<71.12mm,應附加0.9(0.75-β)(2.8-D/25.4)%的不確定度(D取mm);

當β>0.5且ReD<10000時,應附加0.5%的不確定度。

2.2 可膨脹性系數的不確定度其值為3.5

?p κP1 %。

2.3 測量管內徑的不確定度

其值為0.4%。

2.4 孔板開孔直徑的不確定度

其值為0.07%。

2.5 差壓測量的不確定度

當置信概率為95%時,差壓測量的不確定度按式(3)估算:

差壓測量的不確定度

式中:ξ?p——差壓儀表的準確度等級;?pk——差壓儀表的量程;?pi——差壓測量點。

2.6 天然氣密度測量的不確定度

天然氣密度可以用天然氣密度計安裝于計量點上在線實測,也可以根據相應平面處的靜壓、溫度等特性資料進行計算。目前國內普遍采用后一種方法,按式(4)計算:

公式4

式中:Ma——干空氣的摩爾質量;R——通用氣體常數;Za——干空氣在標準參比條件下的壓縮因子;Zn——天然氣在標準參比條件下的壓縮因子;P1——天然氣在操作條件下上游取壓孔處的絕對靜壓;T1——天然氣在操作條件下的熱力學溫度;Z1——天然氣在操作條件下的壓縮因子;Gr

——天然氣的真實相對密度。

假設MaZn/RZa為定值,誤差可忽略不計,則天然氣密度測量的不確定度按式(5)估算

 

密度測量的不確定度按式(5)估算

 

式中: δ P1/P1 ——天然氣在操作條件下上游取壓孔處絕對壓力測量的不確定度; δT1/T1 ——天然氣在操作條件下熱力學溫度測量的不確定度; δ Z1/Z1——天然氣壓縮因子測量的不確定度; δGr/Gr——天然氣相對密度測量的不確定度。

(1)天然氣在操作條件下上游取壓孔處絕對壓力測量的不確定度當置信概率為95%時,天然氣在操作條件下上游取壓孔處絕對壓力測量的不確定度按式(6)估算:

取壓孔處絕對壓力測量的不確定度

式中:ξp——壓力儀表的準確度等級;pk——壓力儀表的量程;Pi——絕對壓力測量點,按式(7)計算:

Pi+pi+Pa (7)

式中:pi——表壓力測量點;Pa——當地大氣壓。對組合測量儀表應按組合測量不確定度求解。

(2)天然氣在操作條件下熱力學溫度測量的不確定度

當置信概率為95%時,天然氣在操作條件下熱力學溫度測量的不確定度按式(8)估算:

取壓孔處絕對壓力測量的不確定度

式中:ξt——溫度儀表準確度等級;tk——溫度儀表的量程;Ti——熱力學溫度測量點,按式(9)計算:

Ti=ti+273.15 (9)

對組合測量儀表應按組合測量不確定度求解。

(3)天然氣壓縮因子測量的不確定度

天然氣壓縮因子按AGA NX-19計算,其測量不確定度為0.5%;按GB/T 17747.2-2011或GB/T 17747.3-2011計算,其測量不確定度為0.1%。 (4)天然氣相對密度測量的不確定度取0.3%。

3 不確定度計算實例

已知某孔板流量計測量參數如下:

孔板開孔直徑d=45mm;

上游測量管內徑D=200mm;

差壓?p=20kPa;

天然氣在操作條件下上游取壓孔處的表壓p i=1.2 MPa;

當地大氣壓Pa=0.101325MPa;

天然氣在操作條件下的溫度ti=30℃;

差壓儀表準確度等級0.2%,量程60kPa;

壓力儀表準確度等級0.2%,量程10MPa;

溫度儀表準確度等級0.5%,量程100℃。

可估算得:β=0.225,則有流出系數的不確定度δC/C=0.5%;

可膨脹性系數的不確定度

取壓孔處絕對壓力測量的不確定度

測量管內徑的不確定度

δ D/D=0.4%;

孔板開孔直徑的不確定度

δ d/d=0.07;

差壓測量的不確定度

取壓孔處絕對壓力測量的不確定度

天然氣在操作條件下上游取壓孔處絕對壓力測量的不確定度

天然氣在操作條件下上游取壓孔處絕對壓力測 量的不確定度

天然氣在操作條件下熱力學溫度測量的不確定度

天然氣在操作條件下上游取壓孔處絕對壓力測 量的不確定度

天然氣壓縮因子測量的不確定度

天然氣壓縮因子測量的不確定度

天然氣相對密度測量的不確定度

天然氣相對密度測量的不確定度

則可知天然氣密度測量的不確定度

則可知天然氣密度測量的不確定度

zui終有天然氣質量流量測量不確定度為:

zui終有天然氣質量流量測量不確定度

4 結論

孔板流量計質量流量測量的不確定度主要來源于六個方面:流出系數的不確定度、可膨脹性系數的不確定度、測量管內徑的不確定度、孔板開孔直徑的不確定度、差壓測量的不確定度、天然氣密度測量的不確定度。從以上幾方面入手就可以有效降低孔板流量計質量流量測量的不確定度,提高其計量性能,為全社會越來越受到重視的能源計量提供穩定可靠的計量數據。

 

 

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