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 技术论文


孔板计量标准的新研究

黄 和
中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司. 四川 成都 610017)

    摘 要  针对ISO 5167和AGA No.3报告的最新变化,本文对国外孔板计量标准的流出系数及安装条件和直管段长度要求进行了对比分析研究,并由此得出相应的结论,提出了今后修订我国天然气孔板计量标准的建议。

    主题词  天然气 孔板 计量 标准 研究

概  述

    目前,在国际上仍无统一的国际标准用于天然气流量计量,利用标准孔板流量计测量流体流量存在两个平行标准ISO 5167-1、API 2530 (AGA No.3)。由于通用和专门用于测量天然气存在一定差异,而给我国制定天然气孔板计量标准带来一定困难。但标准孔板流量计是国内外研究的最早、最细、试验数据最多、使用经验最丰富、标准化程度最高的计量手段。因此近二十年,欧美的流量计量专家以学术研究方式进行了大量试验研究工作,积累了大量试验数据,建立了有16376个试验数据点的API+EEC数据库,并逐步取得共同认识,最新统一的流出系数计算采用API+NEL公式。1998年ISO 5167-1标准修订补充件已颁布,它主要将流出系数计算公式用API+NEL公式替代原StoIz公式,并根据对安装条件及整流器的进一步研究,于1999年3月出版了CD文件,这对GB/T2624-93、AGA No.3报告均有重要影响。API 2530(AGA No.3)于2000年8月发布了新版本,安装条件有较大变化,两个标准均考虑了近20年来的大量精确数据,流出系数计算公式采用API+NEL公式形式。国际上两个标准将逐渐趋于统一,主要技术要求的文本也将发至各成员国,这次修订对国内外流量计量有着较大影响,也为我国制定天然气孔板流量计量的国家标准提供了基础条件。

    为加快我国天然气计量技术与国际惯例接轨,跟上国际标准的变化,充分利用国外先进标准的成果与经验,针对国际上近几年来在大规模试验基础上国际上天然气孔板流量计量标准中流出系数及安装条件和直管段长度要求的最新变化,本文对此进行了分析研究,这对我国天然气计量标准尽快与国外先进标准接轨有着十分重要的意义。

                                流出系数的最新变化分析

    ISO 5167、AGA No.3、SY/T6143标准是国内外广泛应用的天然气流量计量标准,GB/T2624-93等效采用了国际标准ISO5167-1。经过十余年的试验建立起崭新的数据库,在此数据库的基础上用数理统计方法回归出新的流出系数公式——Reader.Harries.GaIIagher公式(RG公式90版),而后API联合NEL对数据库中的数据重新处理,推出API+NEL公式(RG公式98版)。2000年8月颁布的AGA No.3流出系数计算公式采用90版RG公式,1999年ISO/CD5167文件流出系数计算公式采用的是98版RG公式。90版、98版RG公式和StoIz公式的表达式如下:

1.98版RG公式的表达式如下:

(1)

 当D<71.12mm(2.8)时,式(1)中的C值还要加上式(2)的值。

                          (2)

                                             (3)

                                        (4)

对于角接取压:L1=L2=0;对于法兰取压:L1=L2=25.4/D ;对于D和D/2取压:L1=1,L2=0.47。

公式(1)为在大规模试验数据库的基础上用数理统计方法回归出的新的流出系数公式,即98版RG公式,该公式的特点:

a、具有严格的物理基础,斜率项物理意义更明确,并被分为两个部分;

b、符合程度甚佳,数据的标准偏差比其它公式小;

c、公式与现行的API的RG公式仅在常数及幂上略有不同,因此可保证国际上孔板流出系数公式的一致性;

d、与其它公式(如StoIz公式)比较,同样具有基本部分、取压部分和管道雷诺数相关性部分,并且是由最新实验研究的1万多个由水、油、气实验数据点拟合的。较StoIz公式更先进、更准确,更具代表性。

2.90版RG与98版RG公式只是某些参数有差别,表达式如下:

(5)

当D<71.12mm(2.8)时,式(5)中的C值还要加上式(6)的值。

                                  (6)

3.StoIz公式表达式如下:

(7)

对于法兰取压,当0.0900L1≥0.0390时,0.0900L1取0.0390值。

通过对三个流出系数公式的计算(省略),得出如下结论:

1.98板RG公式充分考虑了小口径管段的计量,以DN71.12为分界点,拟合过后增加了一项小口径修正项即式(2),而StoIz公式对此未予考虑故计算的流出系数C均偏小,因此98板RG公式更加符合实际情况。

2. 对于角接取压,当管径小于DN71.12时,流出系数C在小β比低雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C偏小较大,达1.63%;常用段偏小在0.60%以下;当大β比高雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C有的偏小,有的偏大,正负交错在千分级内;

3. 对于角接取压,当管径大于DN71.12时,流出系数C在小β比低雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C偏小较小,极限点为0.78%;常用段偏大偏小在千分级内,最大值是偏大0.34%;在大β比高雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C有的偏小,有的偏大,为正负交错,最大值是偏大0.61%;

4. 对于法兰取压,当管径小于DN71.12时,流出系数C在小β比时StoIz公式计算的流出系数C偏小,极限点为1.50%;在常用段β=0.5时,在整个雷诺数范围内偏小0.03%-0.39%以下;当大β比高雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C偏大,极限点为1.07%;

5. 对于法兰取压 ,当管径大于DN71.12时,流出系数C在小β比低雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C偏小0.3%左右;常用段偏大偏小在千分级内,总的来说偏大0.1%;在大β比高雷诺数时StoIz公式计算的流出系数C则偏大1.10%左右。

  

 安装条件和直管段长度要求的最新变化和要求

    众所周知,正是由于历史的原因,美国和欧洲各国标准规定的安装条件有较大差别,导致80年代美国对ISO 5167持否定态度。由于安装条件是保证节流式差压流量计现场测量精度的关键因素,如何科学地规定此条件必须进行大量的试验才能确定,正是API和EEC近十几年的试验才使这个问题获得解决,目前就大量的试验结果表明,它将导致标准孔板安装要求的彻底修改。

    该项研究虽然涉及到标准孔板本身的技术及各种类型流动调整器(整流器)的整流效果内容,但是这些试验成果体现在AGA No.3和ISO/CD 5167标准中主要是没有整流器的安装要求(见表1与表3)和带19管管束式整流器的安装要求(见表2与表4)是很不同的。ISO/CD 5167的安装要求(表3及表4)与表1、表2基本相同,但对于带19管管束式整流器的安装规定由17D≤A≤29D变为18D≤A≤30D时的数值。另外ISO/CD 5167有较详细的阻力件型式,而且对应的最短直管段长度要求略有不同。

 

表1:AGA No.3标准孔板(不配整流器)上下游直管段长度(以管径D的倍数表示)

 β值                        上游直管段 下游直管段
   A    B    C   E    F   G    H    L    M    N
  ≤0.20       6   10   10   50   19   9   30    17    6    70    2.8
  0.30   11   10   12   50   32   9   30    19    6    108    3.0
  0.40   16   10   13   50   44   9   30    21    6    145    3.2
  0.50   30   30   18   95   44   19   30    25    7    145    3.5
  0.60   44   44   30   95   44   29   30    30    9    145    3.9
  0.67   44   44   44   95   44   36   44    35    11    145    4.2
  0.75   44   44   44   95   44   44   44    44    13    145    4.5
  注;表中A表示:1、单个90°弯头;2、在同一平面上两个间距S大于30D的90°弯头;3、 在不同平面上的两个间距S大于15D的90°弯头。

    B 表示:在同一平面上两间距S不大于10D的90°弯头。

    C 表示:在同一平面上的两个间距为10D≤S≤30D的弯头。

    E 表示:再不同平面上的两间距为S≤5D的90°弯头。

    F 表示:再不同平面上的两间距为5D≤S≤15D的90°弯头。

    G 表示:作为弯头使用的单个90°三通。

    H 表示:1单个45°弯头、2、在同一平面上的两间距S大于22D的45°弯头。

    L 表示:开度至少为50%的闸阀。

    M 表示:渐缩管或渐扩管。

    N 表示:任何形式管件及管路布置。

 

 
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