国际流量计量学术动态及发展趋势

天 然 气 工 业 2003年1月 国际流量计量学术动态及发展趋势 孙 延 祚 (北京化工大学 ) 孙延祚．国际流量计量学术动态及发展趋势．天然气工业，2003；23(1)：84～88 摘 要 近两年来，国际流量测量界所召开的最重大的学术会议主要有两个：一个是 2001年 5月7～10日在 苏格兰Peebles召开的“2001国际流量测量学术会议”。该会议由NEL主办，会议的主题是：“在工业各领域 中创造 效率”。另一个是 2002年 4月7～10日在美国首都华盛顿附近的Arlington召开的“第5届国际流体流量测量学术 会议”，在此次学术会议的前后还在同一地点召开 了ISO／I'C30奄C2、ISO／I'C30 c5、ISO／I'C30 C9的工作会议 以及 CIPM CCM 舸GFF流量工作组的第 3次会议。以上两次国际学术会议、ISO／I'C30三个分委员会的会议和 WGFF的会议的主要议题，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。文中介绍了国外流量测量技术的若干动向。 主题词 压差式流量计 ISO 流量测量 技术 发展趋势 差压式流量计国际标准的新变化 1．关于国际标准 ISo5167的修订工作 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。 这类仪表的数量 占整个流量计总数 的 60％～70％。 因此 ISO5167的修订工作一直是 ISO／TC30／SC2的 重点项 目u J。由于我国的 GB／T2624—93就是等效 采用 ISO 5167—1(1991)的，因此 IS(I)5167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：①ISO／DIS 5167—1(第 1部分 ：总则)；②ISo／DIS 5167—2(第 2 部分 ：孔板 )；③ISO／DIS 5167—3(第 3部分 ：喷嘴与 文丘里喷嘴)；④ISo／DIS 5167—4(第 4部分 ：文丘 里管)。 2002年 7月左右将最终草案分发到各成员国征 求意见，于 2002年 9月左右投票表决 ，被批 准认 可 的 DIS将被注册登记为 FDIS。原在 2002年 10 月出版 FDIS。 2．ISO 5167新标准所修改的主要内容 (1)根据大量数据回归的 R／G 取代了原来 的 Stolz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 间所要求的最小直管 段提出了全新 的及更长的要求 ，见表 1、2。 (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。 (4)采用新公式来计算孔板的可膨胀性系数。 (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。 3．为修订 ISO 5167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 口=0．75 时，API标准要求为 13 D(D 为管道 内径，下同)，而 ISo标准则要求在渐缩管后有 22 D，在渐扩管后要 求有 38 D，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／ALNsI老标 准中关于渐扩管后直管段的规定不对，应予 以改正。 另外 ，不同轴的渐缩管或渐扩管 以及闸阀对测量的 作者简介 ：孙延祚 ，1936年生 ，教授 ；1961年毕业 于莫斯科石油 与天然气大学 ；IMEKO TC9中国委员 ，中 国仪 器仪表学会 理事，本刊第五届编委会委员、<仪器仪表学报>编委。地址：(100029)北京市朝阳区胜古南里 1号北门 9号。电话：(010) 64434677。E—mail：yzsun@mail．butt．edu．cn · 84 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第 1期 天 然 气 工 业 表 1 新旧版本 ISO5167中孔板与上游阻流件之间所要求的最小直管段(无流动调整器) (表中数值以管径 D的倍数表示) 以前综合为一共 以前综合为一类阻流件 前综合为一类阻流件 单-I"90。T形管 I、单个90。弯头． 在同一平面上的两 在同一平面上的两 在垂直平面上的两 渐扩管在 D 到 2D 新增： 个90。弯头 个90。弯头 个 90。弯头 长度内由0 5D变为 上 ； 2、在同一平面上的 lo30 — 流 用作弯头 广— ——： 广÷一 l ≤10 刀广一 件 190。 - lS=-lO一30 I s=5—30 的 形 式 r一； S>30 90。 直 径比 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 1 日 06o 29 I8 42 l8 30 26 42 26 44 48 65’ 48 26 22 30 0 75 44 l 44 I 36 44 I 42 44 『 42 44 『 70 75 ’ l 70 36 f 弛 44 J 新1日羞 !!I —— — 一 124 —— — 广 ! —— — 一 !16 —— — 一 —／ !lI— —— r一 — —— ■ 无 注：对于渐缩譬．全开闸两或全孔球阀．突然对称收缩．温度计套管等上游阻流件的直管段要求不变 ：1)如 ≤06 应一律取 75D： 2)仅当Re口≤2x 10‘时．教据有效。 表 2 新旧版 API／ANSI一2530中孔板与上游阻流件之间所要求的最小直管段的比较(无流动调整器) (表中数值以管径 D的倍数表示) ■新增÷ k的一类 前的 ≥l0 以前的此类阻漉件仅有 s<10 新增补一英 I、单个 9o。弯头 在同一平面上的两 在垂直平面上的两 I、单个45‘弯头 上 2、在同一平面上的 个 9o。弯头 个 90‘弯头 2、在同一平面上的 游 两个 9o’穹头 S≤l0 5≤ ≤t5 两个 45‘弯头 阻 S>30 S>22 漉 3、在垂直平面上的 I 一 I 一I 90。 I 。 I 件 两个9o。穹头 ． ．__J J ／ p 22 I 的 S>l5 形 式 7f 直径比 新 I 旧 新 f 旧 新 f 旧 新 l 1日 新 J 1日 新 l 1日 新 J 旧 新 l 1日 0 6o 29 l 30 44 l 30 30 I l0 44 f l4 44 l 30” 95 J 25 30 l 30 145 I 30 0 75 44 l 44 44 l 44 44 l l7 44 l 21 5 44 l 44 95 l 35 5 44 l 44 145 1 44 口 -0 75 时 新 In 0 0 +27 +22 5 0 +59 5 0 +10l 差 注：对于渐缩管．至少有5O％开度的闸阚和下游直管段．长度要隶不变：I)对于问隔距离 =5～10D时，取2j：2)对于同隅距离 5～10D时．取35 5． 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 SI老标准 中 对同轴渐缩 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 易于操作且花 费更少。在 垂直平 面上的 2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 ：如果间距 S为 0，两弯头问无 法兰，则在高 Re 下 ，旋转流的耗散要缓慢得多 ，甚 至在此双弯头后 8l D 处 ，仍 能影响孔板流量计 的不 确定度 ，可测得较大的正系统误差 。 新修 订的 ISO 5167和 API SI一2530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。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

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，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=2 D～l0 D)。用 作弯头的“T”形管有几种形式 ：如带锐边的；边缘倒 圆的或边缘倒圆且带有延长管的“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 · 85 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 天 然 气 工 业 2003年1月 何参数的一定变化方面是足够保守的。只有在实验 带 10 D(的)延长管的“T”形管时，新标准推荐的直 管段才略显稍短。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=2 D～10 D)，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 了如下结论：①新 的 ISo及 API SI／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 个经常校准孔板流量计的实验室也经常会面对同 样的问题 。现有 IS05167—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 100 D 处 ，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 2 D 处和 5D 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(5 D、9 D、14 D、21 D、31 D 和 46 D)处 。实验证明 ISO5167一l：1991中对上游管 道连接处台阶的要求过于保守。实验所得数据将被 用于新修订的 IS05167—2标准，用来推荐最大允许 的台阶值。实验还证明：大于 0．3％的台阶的位置如 在 46 D 以外时，影响已小于 0．1％。 综上所述，以上文献[1～4]中所报导的近几年 来补充实验工作及其结论对于 ISO5167，API／ANSI 一 2530和 AGA一3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 ISO5167相比较 ，新修订的标准 在内容上有许多实 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。 · 86 · 如何应对 ISO5167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 J：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 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 。 对于上述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 ISO5167—2的 新要求，国外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 ，他们的经验值得参考与借鉴，现将该 文献摘要如 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 5×10 m3，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流量计有 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 ISO5167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 (600 mm)孔板流量计组成 (4用，2备)；6路孔板 的上游 各有一个 90。弯头 ，6个孔板与上游 90。弯头之间的 直管段长度在 18 D 至 41 D 之间不等 。6个 90。弯 头的上游有 6条平行管线接人一个共用的汇管。按 现行的 ISO5167(1991)查 表：在 单个 90。弯 头 的下 游， =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 Z =18 D，如按新修订的 ISO5167 和 AGA3要求 ，Z 分别应为 42 D 和 44 D。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 145 D 的上游 直管段。而现场实际最 短的只有 48 D。 (2)孔板流量计维护的工作量太大 ，维护费用昂 贵 ，维修负担太重 ，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 维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第1期 天 然 气 工 业 昂贵，例如 ，仅为校 准差压变送 器每 年就需花 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突出。 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 些疑 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 的管路配置和孔板流 量计量系统进行专题计算 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形双弯头处的模型；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 ISo5167标 准中所规定的孔板上游直管段长度是确实需要的。 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

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：方案一，可维持下去的方 案．即孔板加整流器的方案；方案二，采用其他代替 技术的方 案，同 时应满 足计 量 不确 定度 小于 等于 ±1％；还能 满足在现 有直管 段条件 下实现有 效计 量 ，可减小维护 工作量 ，延长使用寿命等 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 ，ISo5167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 调整器被认为是一种可 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花 费仍居高不下 。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 资与运行花费的全程计 算分析后，所得结果对方案二有利。 现就方案二作进一步的论证。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 ，l备)就可以取代原来的 6台孔板流 量计 。由于两种表都 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 范 围 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 为主表的理由有 ：① 它已取得许多 权威的计量部 门认证 ，上游 仅要求 l0 D，下游仅要 求 5 D 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 3台多声道气体超声流量计作为该 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 2 D条件下完全符合 ISo9951。 按方案二改造的该站于 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 VoS符合一致的程度达到 0．1％ ～ 0．2％(预定指标为 1％)。这样使得该项 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 标准 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 涡轮这两种流量计都展示 了它们能在有干扰的流动 条件下，仍可保持满意的计量特性。 结 束 语 修订中的 ISO5167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 同程度的影 响 。本文介绍 了英国采用超声流量计取代孔板流量 · 87 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 天 然 气 工 业 2003年 1月 天然气能量计量的有关法制问题 陈 赓 良 (西南油气 田分公 司天然气研究 院) 陈赓 良．天然气能量计量的有关法制问题．天然气工业，2003；23(1)：88～91 摘 要 目前，我国大规模交接计量基本上都使用体积计量，为使我国商品天然气的交接计量与国际接轨，正 准备由体积计量向能量计量过渡。文章主要阐明了有关过渡方面的 5个问题：①实施天然气能量计量并非单纯计 量技术的进步；②发热量准则是体现能量计量科学上准确性的基础；③ 目前国内外普遍采用计算法确定发热量，我 国今后在能量计量中也将采用此法，但必须以直接法为基准进行校核后才能制定相应标准；④ 实施天然气能量计 量涉及多种在线测定仪器，目前我国基本上依靠进 口，也缺乏现场使用经验，对此应及时做好准备工作；⑤应根据 我国的法令、法规及时完善有关能量计量的标准体系。 主题词 天然 气 气体 计量 能量 计量 标准化 体积计量转变为能量计量并非单纯计量技术的 进步 ，它与国家的能源开发政策和能源价格政策密 切相关 ，也涉及到若干法制 问题。因此 ，在制定能量 计量技术方案之前须明确一些法制上的基本原则。 美国是世界上在交接计量中实施能量计量最早 的国 家 ，在上世纪 70年代 中期就开始研究 ，故其发展过 程对我们颇有参考价值。 “发热量准则"(BTU Rule) 作为世界上天然气消费量最大的国家 ，1970年 计实现天 然气贸易 计量 的成功经验。这也是 针对 IS0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 已有在这方面的成功实践 ，位 于北京通州区次渠镇的北 京东郊天然气计量站，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 ，而且还 提高了该站的计量技术水平 ，自 2000年 12月正式 投产以来至今运行平稳正常。 5 参 考 文 献 1 Studzinski W ，Karnik U，Morrow T et a1．Revision of ANSI 一 2530 Orifice Meter Standard— Basis of Rec0mmended 6 Meter Run Length．The 4th International Symposium on Fluid Flow Measurement，Denver，Colorado，USA，27～ 30 June 1999，Section 14(5) 2 Studzinski W ．Effect of Reducers，Expanders a Gate Valve and Two E1bows in Perpendicular Planes on Orifice Meter Performance．Flow MeaslIrement 200】一Internationa1 Co n ference Paper，May，2001，Peebles，Scotland，organized by NEL Marvin Weiss．Studzinski W et a1．Performance Evaluation of Or ifice Meter Standards For Selected T—Junction and E1一 bo W Installations．Se ction 5，The 5th ISFFM ，7～ 10 April， 2002 Arlington。VA．UsA Reader—Harris M J et a1．The Effect of Diameter Steps in Upstream Pipework on Orifice Plate Discharge Coefficients． NEL，Section 5，The 5th ISFFM ，7～ 10 April，2002，Ar ling— ton，VA，UsA David W iklund et a1．Flowmeter Dynamic Response Charac— teristics Part 2．Effect in Various Flow Applications Rose— mount Inc．Section 9，The 5th ISFFM ，7～ 10 April，2002， Ar lington VA．．UsA Ian wood Brown，Root Production Services．Replacement of an Orifice Sales Gas Metering System with U1trasonie Me— ter，Flow Measurement．2001一 International Co nference， Paper 1．1，7～ 10 May，2001，Peebles，Scotland，organized by NEL (收稿 日期 2002—06—10 编辑 居维清 ) 作者简介 ：陈赓良，教授级高级工程师，1940年生；1961年毕业于山东大学化工系。地址：(645002)四川省泸州市邻玉场。 电话 ：(0830)3890158。 · 88 · 维普资讯 http://www.cqvip.com