測量氣體流量的知識

需要測量流量的氣體種類繁多，本節討論其中Z常見的空氣、城市煤氣、天然氣和組分變化的氣體。可用來測量氣體流量的儀表種類繁多，本節結合四種典型氣體重點討論差壓式（含均速管）、渦街式、旋進旋渦式、超聲式、氣體渦輪、氣體腰輪式流量計的應用。

1 壓縮空氣流量測量

壓縮空氣是企事業單位重要的二次能源，大多由電能或熱能經壓縮機轉化而來。當空氣壓力值要求較低時，則由鼓風機產生。

在化工等生產過程中，有一種重要的工藝過程——氧化反應，它是以空氣作原料，和另外某種原料在規定的條件下進行化學反應。空氣質量流量過大和過小，都會對安全生產、產品質量和貴重原料的消耗產生關鍵影響。在這種情況下，空氣流量測量度要求特別高，多半還配有自動調節。

鍋爐和各種工業爐窯中的燃燒過程，其本質也是氧化反應，對助燃空氣流量的測量，雖然準確度要求不像化工生產中的氧化反應那樣高，但對環境保護和經濟燃燒、節約燃料也有重要意義。

（1）壓縮空氣流量測量的特點

①振動大。安裝在壓縮廠房和鼓風機房的空氣流量計都得考慮振動問題。這種振動主要來自壓縮機和鼓風機，機器的振動通過空氣管道或風管可以傳到很遠的地方。其中振動Z大的要數往復式壓縮機，大型往復式壓縮機運行時產生的振動往往帶動廠房和周圍地面一起振動，對相關空氣流量計的準確而可靠的運行帶來威脅。它引發杠桿式差壓變送器支點移動而使儀表產生示值漂移。振動導致渦街流量傳感器產生同振動頻率相對應的干擾信號，引起流量示值大幅度偏高。

②氣體帶水。壓縮空氣取自大氣，而大氣中總是含有一定數量的水蒸氣。水蒸氣的含量用水蒸氣分壓ρs表示。大氣中的水蒸氣飽和分壓是大氣溫度的函數（見表3.5）。在雨天和霧天，室外大氣中的水蒸氣分壓達到飽和程度，即相對濕度達到，這時將大氣壓縮就如同壓迫吸足水的海綿，隨著體積的縮小，就有相應數量的水析出。這是壓縮空氣所以帶水的簡單原理。在晴好的天氣，大氣相對濕度較低，但隨著其被壓縮，體積縮小到原來的幾分之一后，水蒸氣分壓會相應升高，也有可能進入飽和狀態而析出水滴。

用來測量壓縮空氣流量的較大口徑孔板流量計，孔板前常有積水，要影響測量準確度。引壓管線中常有一段水，導致差壓變送器測到的差壓同節流裝置所產生的差壓不一致。這些都是空氣帶水引起誤差的常見原因。除此之外，由于城區大氣中氮氧化物含量較高，使得壓縮空氣所含水滴呈酸性，引起環室表面腐蝕、管道內壁腐蝕，使其表面變得粗糙。腐蝕產生的氧化鐵在一定條件下變干燥時，很容易從管內壁脫落而被氣流帶到孔板前，這也會對流量示值產生影響。所以在停車檢修肘，應將這些粉狀和塊狀的垃圾予以清除。

③脈動流。壓縮機和鼓風機出口流體多數包含一定的脈動。例如往復式壓縮機，表現為半波脈動，如圖3.14所示。在現場可觀察到壓縮機和鼓風機的出口壓力有明顯擺動。其中正（定）排量鼓風機出口脈動頻率較高，一般有幾十赫茲，而往復式壓縮機出口脈動頻率較低，一般為幾赫茲。流動脈動引起差壓式流量計、渦街流量計等多種流量計示值偏高，引起浮子式流量計中的浮子上下跳動。消除和減弱流動脈動對流量計示值影響的常用方法有兩個：一是在壓縮機出口設置一只緩沖罐濾除脈動，而將流量計安裝在緩沖器后面，實際上往復式壓縮機的系統都是這樣設計的；二是將流量計安裝在遠離脈動源的地方，這樣可利用工藝管道的氣容同其管阻構成低通濾波器衰減脈動。

（2）儀表選型

能夠用來測量空氣流量的儀表有多種，但是在現場實際使用的空氣流量計，按其原理分，種類并不多。Z主要的有玻璃浮于流量計、節流式差壓流量計、渦街流量計和均速管流量計等。

①浮子流量計。浮子流量計在中型和小型實驗裝置上使用很廣泛，這是因為浮子式流量計簡單、直觀、價格低廉，適合作一般指示。浮子流量計有玻璃錐管型和金屬錐管型兩大類，坡璃錐管型的不足之處是耐壓不高和玻璃錐管易碎，另外，流體溫度壓力對示值影響大。一般可根據流體實際溫度和壓力按式（3.31）進行人工換算。式中由于引入ρn，在被測氣體不為空氣時，也可利用該公式進行換算。

式中 q_v——實際體積流量， m³/h；

q_vf——儀表示值，m³/h；

ρn——被測氣體在標準狀態下的密度， kg/m³；

ρan ——空氣在標準狀態下的密度， kg/m³；

Tn、Pn——氣體在標準狀態下的溫度、壓力；

Tf、Pf——氣體在工作狀態下的溫度、壓力。

②節流式差壓流量計。節流式差壓流量計在空氣流量測量中有著悠久的歷史。節流式差壓流量計盡管有范圍度窄、安裝維護麻煩以及壓力損失大等重大缺點，但在振動較明顯的壓縮機房、鼓風機房，它仍然是可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強的儀表。

用節流式差壓流量計測量空氣流量Z重要的是要處理好節流件前積水、變送器高低壓室內積水以及引壓管線中積水問題。

a.節流件前積水問題。解決節流件前積水Z簡單的方法是在節流件的下部開疏液孔。

但是空氣管道不像蒸汽管道那樣清潔。在蒸汽管道中因為與管道內壁接觸的是水蒸氣，而水蒸氣在發生過程中一般都經過除氧工序，因此蒸汽中基本不含氧，經長期使用的蒸汽管，其內壁可能僅沉積微量的灰色粉末，除此之外不會有鐵銹。而空氣管道內則全然不同，灰塵和氧化鐵難以避免，有時疏液孔被堵死。在停車檢修時拆下節流裝置，發現節流件正端平面上有積水的痕跡，就是證據。

*消除節流件前積水的方法是將節流裝置安裝在垂直工藝管上，或改用圓缺孔板或偏心孔板。其中，偏心孔板不確定度較小，優于圓缺孔板。

b.差壓變送器高低壓室內積水問題。圖3.15（a）所示是典型的節流式差壓流量計信號管路安裝圖，在被測流體為溫氣體時，冷凝液理應不會進入差壓變送器高低壓室，但從現場反饋信息來看，實際情況是有時還會有微量水滴進入高低壓室。變送器差壓范圍較低時，此微量水滴會引起儀表零點的明顯漂移。有些差壓變送器設計有兩個排放口，打開下排放口就可將凝液順利排出。但是早期變送器只有中部的一只排放口，打開此口無法將高低壓室內的凝液排凈，Z后只得將變送器拆下，將凝液從信號輸入口中傾倒出來。

高低壓室內積液的現象，經進一步分析，應該是變送器上方的一段管路由于環境溫度變化將信號管中的水蒸氣冷凝而沿著信號管往下流入高低壓室o

防止冷凝液流入高低壓室Z簡單易行的方法是消除變送器上方的一段信號管路，將信號管路從下方引入變送器，如圖3.15（b）所示，這樣，即使高低壓室內有微量冷凝液，也能依靠其自身重力沿著管路自動流回母管或沉降器。實踐證明，這一方法是有效的。

c.引壓管路內積水問題。在測量濕氣體時，雖然安裝信號管路己按照規程的要求保持坡度，可以避免冷凝液在信號管路內聚集，但在某些情況下，積水現象仍難以避免，其原因如下所述。

圖3.16是環室取壓節流裝置安裝在垂直工藝管道上時信號管路的規定安裝方法。假定工藝管道中氣體自下而上流動，那么負壓信號管路中可以保證沒有凝液，因為信號管路內的凝液能暢通無阻地流回工藝管道，而正壓信號管情況就不同了。因為正壓信號是從均壓環

引出的，被測濕氣體中的凝液充滿節流裝置的正端均壓環空腔是毫無問題的（如圖3.17所示），在正壓管內氣體壓力同節流件正壓端*相等時，U形管兩邊液位高度相等。在此基礎上，如果節流件正端壓力上升，則將均壓環空腔中的水壓向信號管路，按照流體力學關系式可知，正壓管內的壓力比節流件正端壓力低一些，其數值同U形管兩邊液位高度差相等，從而引起差壓信號的傳遞失真。

清除信號管內積水的臨時方法是掃線，依靠工藝管中的壓力足夠高的氣體將積水沖走排到管外。但不久又依然如此。

*清除上面所述管路內積水的方法是將節流裝置取壓方法改為法蘭lin （1in=0.0254m）取壓或D-D/2徑距取壓。

圖3.18所示的信號管路連接方法也是有關資料中推薦的用于濕氣體流量測量的典型連接方法。但是在大管徑孔板流量計中，也存在一些問題。尤其是在雨天、霧天和大氣濕度高的季節，空氣中夾帶的水較多，水滴自下而上撞擊在節流件上，其中一部分進入均壓環的全腔，進而流入沉降器，于是沉降器很容易被裝滿。現場巡回檢查時，每天都可以排出很多水，如果遇上假日無人排污，就極有可能水滿為患。

③渦街流量計。在無振動或無明顯振動的場所，用渦街流量計測量空氣流量，顯著的優勢是壓損小、度較高、范圍度較寬、維修工作量小。壓電式渦街流量計能耐受O.2g的振動。在常壓條件下，可測流速下限為6m/s。電容式渦街流量計，能耐受（0.5~l）g振動，在常壓條件下，可測流速下限為4m/s。因此在振動大的場所兩種渦街流量計都不適用。近幾年來，一些公司在渦街流量計制造中引入了數字信號處理（DSP）技術，使儀表的抗振動性能有了大幅度提高，可測流速下限也有了顯著改善。但應用中仍需注意現場的振動問題。

與蒸汽流量測量一樣，受渦街流量計Z大口徑、Z大工作壓力和Z高工作溫度的制約，當口徑大于400mm或流體壓力高于4MPa（有的公司產品為6.4MPa）或流體溫度高于420℃時，只能改用其他類型流量計。

④差壓式均速管流量計。均速管流量計對大口徑空氣流量測量具有其*的優勢，價格便宜、簡單可靠、安裝維修方便是其顯著的優點，是渦街流量計和節流式差壓流量計的補充。其檢測桿選擇、阻塞系數計算等將在3.5節中討論。

（3）濕空氣干部分流量測量問題

①濕空氣干部分流量測量的必要性。在化工生產的氧化反應過程中，一般是將空氣送入反應器，而真正參與反應的僅僅是空氣中的氧。由于空氣中的氮和氧保持恒定比例，所以測量得到進入反應器的氮氧混合物流量，也就可以計算出氧的流量。但是壓縮機和鼓風機從大氣中吸入的空氣除了氮氧成分之外（微量成分忽略不計），總是包含一定數量的水蒸氣，而且水蒸氣的飽和含量是隨著其溫度的變化而變化的。為了將氧化反應控制在理想狀態，須對進入反應器的氮氧混合氣流量進行測量，也即將進入反應器的空氣中的水蒸氣予以扣除，得到濕空氣的干部分流量。這是濕氣體中需要測量干部分流量的一個典型例子。

②濕空氣密度的求取。濕空氣由其干部分和所含的水蒸氣兩部分組成。標準狀態下濕氣體的密度可用式（3.32）計算

式中 ρn——濕空氣在標準狀態下（101.325kPa， 20℃）的密度， kg/m³；

ρgn——濕空氣在標準狀態下干部分的密度， kg/m³；

ρsn——濕空氣在標準狀態下濕部分的密度， kg/m³ 。

工作狀態下濕空氣的密度可按式（3.33）計算。

式中 ρf——濕空氣在工作狀態下的密度， kg/m³；

ρgf——濕空氣在工作狀態下干部分的密度， kg/m³；

ρsf——濕空氣在工作狀態下濕部分的密度， kg/m³ 。

ρgf和ρsf分別按式（3.34）和式（3.35）計算

式中ψf——工作狀態下濕氣體相對濕度， 0~；

P_sfmax——工作狀態下飽和水蒸氣壓力；

ρsf——工作狀態下水蒸氣密度， kg/m³；

ρ_sfmax——工作狀態下飽和水蒸氣密度， kg/m³；

Z_f——干空氣在工作狀態下的壓縮系數；

Zn——干空氣在標準狀態下的壓縮系數；

其余符號意義同式（3.31）。

③不同原理流量計測量濕空氣干部分流量時的計算公式

a.頻率輸出的渦街流量計。頻率輸出的渦街流量計用來測量濕空氣流量時，其輸出的每-個脈沖信號都代表濕空氣在工作狀態下的一個確定的體積值。這時，要計算濕空氣中的干部分，只需在從工作狀態下的體積流量換算到標準狀態（101.325 kPa， 20^aC）下體積流量時，從總壓中扣除水蒸氣壓力，如式（3.36）所示。

式中 q_vg——濕空氣干部分體積流量， m³/h；

q_vf——濕空氣工作狀態下體積流量，時/h；

f——渦街流量計輸出頻率， P/s（每秒脈沖數）；

K_t——工作狀態下流量系數， P/L。

b.模擬輸出的渦街流量計。模擬輸出的渦街流量計用來測量濕空氣的干部分流量時， 只有工作狀態（ρf、ψf、Tf、Zf）與設計狀態（Pd、ψd、Td、Zd）一致時，無需補償就能得到準確結果。如果有一個或一個以上變量不一致，可用式（3.37）進行補償。

式中 A_i——渦街流量計模擬輸出，%；

q_max——流量測量上限，m³/h；

Pd——設計狀態濕空氣絕壓，kPa（MPa）；

ψd——設計狀態濕空氣相對濕度；

ρ_sdmax——設計狀態濕空氣中飽和水蒸氣壓力，與Pd單位一致；

T_d——設計狀態濕空氣溫度， K；

Z_d——設計狀態濕空氣壓縮系數。

c.差壓式流量計。用差壓式流量計測量濕空氣的干部分流量要進行兩方面的計算。一個是工況變化引起的工作狀態下濕氣體密度的變化對測量結果的影響，另一個是扣除濕空氣中的水蒸氣并換算到標準狀態下的體積流量。將式（3.34）和式（3.35）代入式（3.33）得

式中，符號意義同式（3.32）~式（3.35）。

濕空氣的干部分流量可用式（3.39）計算

式中 q'v——濕空氣的干部分流量實際值，m³/；

q_v——濕空氣的干部分流量計算值， m³/h；

其余符號意義同式（3.38）。

其中ρf由式（3.38）計算得到。

2 負壓空氣流量的測量

負壓空氣流量測量對象并不太多，常見于需要負壓空氣的生產流程，如卷煙的生產過程中。

負壓空氣同樣是含能工質，對負壓空氣的耗量進行計量，以便進行能耗考核。

（1）負壓空氣流量測量的特點

①不允許流量測量引入明顯的壓力損失。負壓空氣的負壓來自真空泵，很多臺功率很大的真空泵所生成的負壓只有負幾十千帕，例如進口絕壓為30kPa的真空泵，由強大動力轉換成的負壓只有-70kPa，如果負壓管道上安裝流量計后增大了阻力，產生較大的壓損，將使動力損耗大大增加，這是與節能的宗旨背道而馳的。

②流量密度小，為儀表選型帶來困難。

③流量計在負壓管道上安裝后，如果存在泄漏，很難察覺，在不知不覺之中，浪費了動力。

（2）流量計選型

由于上述*個特點的約束，孔板流量計、渦輪流量計、容積式流量計等被否定掉。

由于上述第二個特點的約束，渦街流量計的選擇也被否定掉了。因為在安裝流量計處的管道內，絕壓為30kPa的流體，其密度只有常壓條件下空氣密度的1/3，流體旋渦對傳感器的推力相應變小，因此無法測量。

超聲流量計，就*個約束條件而言，是個很理想的選擇，但需經過聲阻抗校核，由于第二個特點的存在，具體測量點的聲阻抗變得很小，以致產生阻抗匹配困難的問題。

所謂聲阻抗（acoustic impedamce）是指介質對聲波傳遞的阻尼和抵抗作用，它等于聲壓與介質容積位移速度之比。在超聲流量測量中，聲阻抗與聲速成正比，與流體密度成正比，所以被測介質的絕壓越低，聲阻抗越小。

均速管差壓流量計，其原理和結構將在3.5節討論。對于負壓空氣流量測量的特點，均速管流量計是個很好的選擇^[1]，但常用工況條件下的差壓值需要計算，因為在流體密度較小工況條件下，差壓值往往較小，如果在50Pa以下，僅表的穩定性將會變得不理想。

在均速管差壓流量計中，有一種檢測桿截面形狀為"T"形的設計，其輸出差壓值約為普通菱形截面檢測桿的2倍，能很好地解決這一問題^[16]。

圖3-19所示是第三代T形均速管差壓流量計的原理。其跨越整個管道的高壓取壓槽的設計，使得它有很好的抗堵性。一些雜質的吸附，不會帶來大的測量誤差。

在應用T形均速管測量負壓空氣流量時，往往配用3095MV多參數流量變送器（或其他型號的多變量變送器），這種變送器內置了0.065%度的差壓變送器， 0.065%度的絕壓變送器、溫度變送器、高速CPU和大容量數據存儲器，對流體流量進行實時、動態的*補償計算。

3 煤氣流量的測量

在煤氣生產、輸送和分配各個環節有大量的煤氣表，有的用于一般監視，有的用于貿易結算，其中用于貿易結算的計量系統，國家標準GB 17167規定了其度要求。

（1）煤氣流量測量的特點

a.流體靜壓低、流速低，允許壓損小，一般不允許用縮小管徑的方法提高流速。

b.流體濕度高，有的測量對象還帶少量水，在管道底部作分層流動。

c.有的測量對象氫含量高，流體密度小，用渦街流量計測量時，信號較弱。

d.煤氣發生爐、焦爐等產出的煤氣一般帶焦油之類黏稠物，有的還帶一定數量塵埃。

e.測量點位于壓氣機出口時，存在一定的流動脈動。

f.流體屬易燃易爆介質，儀表有防爆要求。

g.從小到大各種管徑都有。

h.Z小流量與Z大流量差異懸殊。

i.用于貿易結算的系統，計量度要求高；作為一般監視和過程控制的系統，度要求則低一些。

（2）國家標準規定的主要內容

2000年國家質量技術監督局發布了GB/T 18215.1《城鎮人工煤氣主要管道流量測量》*部分采用標準孔板節流裝置的方法，對煤氣流量測量中的有關技術問題做了規定，其中：

①對流體的要求："應是均勻的和單相（或可以認為是單相）的流體"。

②煤氣在凈化過程中都經過洗滌，因此一般水分含量都呈飽和狀態，相對濕度為。

③用于貿易結算的測量系統準確度一般應優于2.5級。基本誤差限以示值的百分比表示。

④煤氣流量定義為濕氣體中的干部分。

⑤測量結果以體積流量表示，并換算到標準狀態。標準狀態的定義除了一般取101.325kPa、20℃之外，還兼顧煤氣行業的傳統，也可取供需雙方協商的其他溫壓和濕度。

⑥節流裝置采用多管并聯形式。

⑦在存在流動脈動的情況下，對測量平均流量提出了以下措施。

a.在管線上采用衰減措施，安裝濾波器（由容器及管阻組成）。

b.儀表檢測件盡量遠離脈動源。

c.采用盡量大的β和Δp，在測量處減小管道直徑。

d.管線、儀表支架安裝牢固。

e.兩根差壓引壓管阻力對稱。

（3）儀表的類型與使用

可以用來測量氣體的流量計有很多種，但測量煤氣流量的理想儀表卻幾乎找不到，這主要是由煤氣的特點所決定的。由于有焦油等黏稠物存在，旋轉型的流量計使用困難。由于密度小、流速低，渦街流量計使用困難。由于富含水氣以及氣體組分有變化，熱式流量計也不理想。Z后還是已經使用幾十年的差壓式流量計唱主角。

①孔板差壓流量計

a.可換孔板節流裝置。國標GB/T 18215-2000規定的是標準孔板。如果測量點流體較臟，需采用可換孔板節流裝置。這樣在不停氣的條件下，可對節流件進行清洗、檢修、更換。可換孔板節流裝置典型結構如圖3.20所示。

b.圓缺孔板。圓缺孔板是專為臟污流體流量測量而設計的特殊孔板。其開孔是一個圓的一部分（圓缺部分），這個圓的直徑為管道內徑的98%。開孔的圓弧部分應定位，使其與管道同心，如圖3.21所示。

當被測介質為濕氣體而且管道水平布置時，管道底部有可能存在微量分層流動的液體，這時選用圓缺孔板能使液體從下半部的圓缺部分順利通過節流件，而不會像標準孔板那樣將液體阻擋在節流件前，以致積液，影響測量度。同樣道理，當被測氣體中含有粉塵時，由于粉塵密度比氣體大得多，其中有些顆粒容易貼近管道底部被氣流帶走，選用圓缺孔板，顆粒也能順利通過節流件，而不會像標準孔板那樣顆粒在節流件前堆積。

在冶金行業，煤氣流量測量對象較多，而且因為煤氣含粉塵和水滴的情況也很普遍，所以圓缺孔板使用得十分普遍。

c.多管并聯形式。多管（兩管、三管或四管）并聯形式的作用有三個，其一是擴大測量系統的范圍度。由于管道中煤氣流速一般都很低，因此，一臺孔板流量計的范圍度能達到3：1，那么，用一臺大口徑孔板與一臺小口徑孔板相配合，就能將范圍度擴大為10：1。其二是實現在總管不停氣的情況下拆洗節流裝置，從而避開價格昂貴的可換孔板節流裝置。當然，節流裝置上下游必須裝切斷閥。其三是解決DN>1000管道的流量測量問題。例如用4副DN1000的節流裝置并聯使用，解決DN2000總管的流量測量。多管并聯形式的缺點是設備數量和投資成倍增加。

d.煤氣管排水和防凍。水平敷設的煤氣管道，有時發現管道底部有水流動，必須在節流裝置前裝排水設施。簡單又可靠的方法是利用水封實現自動排水，如圖3.22所示。圖中的液位差與壓力有如下關系。

h = P/（gρ） （3.40）

式中 h——液位差， m；

ρ——煤氣壓力， Pa；

g——重力加速度， m/s²；

ρ——水的密度， kg/m³。

在寒冷季節，排水設施內甚至地上敷設的煤氣管道的水都有可能會結冰，為防凍害，應采取防凍措施o

②均速管差壓流量計。標準孔板差壓流量計在煤氣流量測量中有極為重要的地位，有悠久的使用歷史。由于這一方法有豐富的實驗數據，設計加工已經標準化，只要按標準進行設計、加工、安裝、檢驗和使用，無需進行實流標定，就能達到規定的準確度，因而非常方便，并獲得廣泛應用。但是在管徑較大時，一套可換孔板式節流裝置價格相當可觀，所以如果測量數據僅用于過程監測，度要求也不高，那么就可選用均速管差壓流量計。

均速管差壓式流量計在氣體流量測量中應用成敗的關鍵是引壓管不要被水滴堵住。由于定型的均速管產品所帶的切斷閥多半為針型閥，通徑較小而流體中的水氣經冷凝變成水滴，如果針型閥處理得不好或引壓管坡度欠合理，此液滴極易將通路封死。

差壓式均速管輸出的差壓信號一般都很小。當流體為常溫常壓的空氣時，如果流速為10m/s，只能達到62.5Pa的差壓^[15]。這樣，一滴水滴將差壓傳送通道封住，就足以將此差壓全部抵消掉。有的制造商將正負壓切斷閥改為通徑較大的直通閘閥，為保證儀表的可靠使用創造了條件。均速管典型安裝位置以及同差壓計的連接如圖3.23所示。

（4）用差壓式流量計測量濕煤氣干部分所用的公式

式（3.1）和圖3.1所示的方法同樣適用于煤氣流量的測量。只是由于流體的性質不同，基本公式中ρl的求法不同。由于測量任務的不同，要從基本公式中的質量流量qm進一步計算濕煤氣的干部分流量還必須補充其他公式^[17]。

①煤氣密度計算公式

a.標準狀態下濕煤氣的密度ρ_N按式（3.41）計算。

式中 ρ_gN——濕煤氣在標準狀態下干部分的密度， kg/m³；

ρ_sN——濕煤氣在標準狀態下濕部分的密度， kg/m³（由查表3.6得）；

t_N——標準狀態溫度，℃。

b.煤氣在標準狀態下干部分的密度ρgN用式（3.43）計算。

式中 X_i——煤氣各組分的體積分數， %；

ρgN——煤氣各組分在標準狀態下的密度，kg/m³（由查表3.7得^[2]）。

c.工作狀態下由煤氣的密度按式（3. 44）計算。

式中 ρgl——濕煤氣在工作狀態下干部分的密度， kg/m³；

ρs1——濕煤氣在工作狀態下濕部分的密度， kg/m³。

ρgl和ρs1分別按式（3.45）和式（3.46）計算。

式中P_N、P_l——標準狀態和工作狀態下氣體壓力， Pa；

Z_N、Z₁——標準狀態和工作狀態下氣體壓縮系數；

T_N、T_l——標準狀態和工作狀態下氣體溫度， K；

ρslax——工作狀態下飽和水蒸氣壓力[ρslax = f（t_l）由Tl查表3.5得]， Pa；

ρslmax——工作狀態下飽和水蒸氣密度， kg/m³ （pslmax=f（tl）由Tl查表3.5得）；

Ψl——工作狀態下濕煤氣的相對溫度（一般取）^[4]；

tl——節流件正端取壓口平面處的流體面度， ℃。

將式（3.45）和式（3.46）代入式（3.44）得

②濕煤氣工作狀態下體積流量的計算

式中的符號與式（3.45）~式（3.47）相同。

③濕煤氣工作狀態質量流量的計算

求得qm和ρl后，就可利用式（3.1）計算節流裝置。

④溫度壓力及ε1的補償。氣體溫度和壓力變化后，濕氣體干部分在標準狀態下的流量可用式（3.51）進行補償^[17]。

式中，帶"'"者為實際使用工況條件下的參數，不帶"'"者為設計工況所對應的參數，在節流裝置計算書中都能找到。

式（3.51）由于工況變化，ρ1已經從式（3.48）所表示的值變成式（3.52）所表示的值。

因此，將式（3.52）代入式（3.51）就可得到完整的補償公式。

式中 q'VN——經過補償的濕氣體干部分體積流量， m³/h；

qVN——設計狀態濕氣體干部分體積流量，m³/h；

p'1——設計狀態節流件正端取壓口氣體壓力， MPa（實測值）；

P'slmax——設計狀態下飽和水蒸氣壓力， kPa（由T'1查表得）；

P1——設計狀態節流件正端取壓口氣體壓力， MPa（查孔板計算書得）；

Pslmax——設計狀態下飽和水蒸氣壓力， kPa（由Tl查表得）；

ε'1——工作狀態流體可膨脹性系數[按式（8.3）計算得]；

εl——設計狀態流體可膨脹性系數（查孔板計算書得）；

T₁——設計狀態氣體熱力學溫度， K（T₁ =tl +273.16，查孔板計算書得）；

T'₁——工作狀態氣體熱力學溫度， K（由氣體溫度實測值換算得）；

Z₁——設計狀態氣體壓縮系數（查孔板計算書得）；

Z'₁——工作狀態氣體壓縮系數（設置或自動計算^[17] ） ；

ρ₁——設計狀態節流件正端取壓口氣體密度， kg/m³（查孔板計算書得）；

P_N——標準狀態氣體壓力，101.302KPa；

T_N——標準狀態氣體熱力學溫度， K（T_N =293.16K）；

Z_N——標準狀態氣體壓縮系數（Z_N =1.0000）；

ρ_gN——標準狀態干煤氣密度， kg/m³。

（5）孔板設計計算舉例（節流件為標準孔板）。

（6）管道內壁積灰及其對測量的影響

①積灰普遍存在

a.上海某鋼廠采用孔板流量計測量煤氣發生爐出口煤氣流量，由于煤氣中粉塵含量較高，數年后，管道內壁生成一層沉積物，結垢如同瀝青路面，質地堅韌、不易清理，是煤氣中的煤焦油和粉塵在管道內壁日積月累形成的。

b.上海的另一家鋼廠用差壓式流量計測量煤氣流量，由于擔心孔板積灰后影響測量度，所以節流裝置選用文丘里管，使用半年多后，發現流量示值逐漸偏高，于是在停車檢修時對文丘里管拆開檢查，發現文丘里管內壁積了一層含灰塵的焦油，就連流速Z高的喉部也未幸免。但每年一次停車檢修時，用溶液清洗干凈后仍可繼續使用。

c.重慶鋼鐵集團公司采用圓缺孔板測量高爐煤氣流量，在使用數年將節流裝置拆下清洗時發現，孔板圓缺部分高度的1/8~1/6被堆積物占據^[18] 。

d.徐州某化工廠用均速管差壓流量計測量煤氣發生爐出口管（DN700）流量，使用一段時間后，發現流量示值逐漸升高，比物料平衡計算結果高百分之幾。經檢查發現，管道內壁結了一層厚度不等的瀝青砂，水平管道下部內壁結得較厚，約30mm厚，管道上部內壁結得較薄，約10mm厚。

②處理方法之一。清除沉積物或更新管道能將沉積在流量計前后一定長度的管段內的沉積物和節流件表面的沉積物清除掉而又不損壞儀表，當然能恢復儀表的應有測量度。但是沉積物往往既硬又韌，不易清理，因此，如果有停車機會可將節流件前30D、節流件后15D的管道局部更新，當然是個好辦法。

③處理方法之二。對沉積物引入的誤差進行修正。

a.標準孔板差壓式流量計。煤氣中的焦油和粉塵在標準孔板表面及管道內壁的沉積可分兩種情況。*種情況是煤氣中粉塵經*洗滌過濾的測量對象，孔板端面和管道內壁只薄薄地結了一層焦油。第二種情況是煤氣中含有較多粉塵的測量對象，管道內壁結了一層厚度達數厘米的"瀝青砂"。

對于前一種情況，鋼管內壁被焦油站污后，對流動的煤氣有一定的黏附作用，此作用引人多大的誤差尚無標準規定，很難做出估算，但影響值肯定微小，以致可以忽略不計。管道內壁上的一層焦油雖然可能有2mm厚，但因煤氣管道直徑一般較大，例如公稱直徑為1000mm，因此對測量影響也很微小。

對于后一種情況，影響稍大些，它是通過直徑比β變大導致流出系數C變化以及 變化^[1]，進而引起流量示值相應變化的。例如有一副DN1000標準孔板，β為0.7，在雷諾數Re_D為2×10⁵時

=0.60677（以角接取壓為例）

在管道內壁被均勻結了一層20mm厚的沉積物后，β增大為0.7365，令Re_D仍為2×10⁵，按相同的公式計算，C為0.60372，

所以結垢前流量系數

結垢后流量系數

結垢流量系數變化率為

由此引起的流量示值變化為-3.2%R。

b.文丘里管差壓式流量計。文丘里管前后直管段內壁結沉積物，可以認為對測量結果無影響，因為其流出系數可看作與直徑比無關，但喉部結垢引起的誤差要比標準孔板大。例如有一副文丘里管，其DN為1000mm，喉部直徑為700mm，喉部內壁結垢5mm后，其流通截面積約比原來減小2/70，則流量示值增大約2.86%R。

c.圓缺孔板差壓式流量計。圓缺孔板前后直管段內壁沉積物對流量測量的影響主要包括兩個部分，其一是使節流件開孔面積與管道截面積之比m發生變化對流量測量的影響，其二是因缺孔有效面積變小對流量測量的影響。前者影響與標準孔板相似。但在管道截面積縮小的同時，圓缺孔有效面積也縮小一些。因此m變化不大。例如有一副DN1000的圓缺孔板，m為0.49，管道內壁被均勻結了一層20mm厚的沉積物后，管道截面積減小為O.7238m²，而圓缺孔面積約減小為O.3547m²（將圓缺孔圓弧看作與管道圓弧相切），所以，β²仍為O.49。后者的影響較大，因為無沉積物時，開孔面積為O.3848m²，而沉積物厚度為20mm時，開孔有效面積為O.3547m²，約為無沉積物時的92.18%，因此儀表示值約偏高8.5%R。

實際計算時，因為圓缺孔半徑為管道半徑的0.98， 20mm厚的沉積層僅有10mm阻擋了圓缺孔，所以實際影響只有8.5%的一半。

d.均速管差壓式流量計

均速管流量計是由均速管測量管道內的平均流速，然后乘流通截面積，并扣除均速管插入管道部分的阻塞影響。均速管前后直管段內壁沉積物對流量測量的影響，如果忽略阻塞系數的微小變化，就可簡單地看作流通截面積減小對流量示值的影響。

例如有一副均速管，管道內徑為1000mm，管道內壁被均勻結了一層厚度為20mm的沉積物后，流通截面積從0.7854m²減小為O.7238m²，在實際流量不變的情況下，流速增大，因而儀表顯示值相應增大，增大值為（0.7854-0.7238）/0.7238=8.5%R。

以上的分析和計算都是理想化的，實際情況要復雜得多，管內壁沉積物厚度不可能是均勻一致的，總是上面薄下面厚。但方法可以使用。

④對沉積物影響進行預測。由于大口徑流量計拆開檢查修理周期較長，如果*次拆開檢查時發現沉積物結得比較嚴重，而且未清除，可根據沉積物厚度計算流量影響值。如果流體條件不變，則未來一段時間沉積物繼續增厚，流量影響值相應增大是必然的，于是就可從拆開檢查時測得的沉積層厚度和沉積時間計算沉積速率，并令以后以相同的速率繼續沉積，從而對未來的流量影響值進行預測。

4 天然氣流量的測量

（1）天然氣計量的發展趨勢和主要方法

目前，天然氣貿易計量分為體積計量、質量計量和能量計量三種。工業發達國家質量計量和能量計量兩種方法都在使用。我國天然氣貿易計量是在法定要求的質量指標下以體積或能量的方法進行交接計量，目前基本上以體積計量為主。

按有關標準規定，天然氣的標準狀態體積流量qvn以m³/s為單位，工作狀態體積流量qvf以m³/s為單位；質量流量qm以kg/s為單位；能量流量以MJ/s為單位。

①天然氣標準體積流量計算。標準狀態體積流量qvn計算式為

或

式中 qvn——標準狀態體積流量， m³/s；

qvf——工作狀態體積流量，m³/s，體積流量計實測值；

qm——質量流量， kg/s，質量流量計實測值；

ρf——工作狀態下的密度， kg/m³，實測或計算；

ρn——標準狀態下的密度， kg/m³，實測或計算o

天然氣在工作狀態下的密度ρf按式（3.57）計算。

式中 Ma——干空氣的摩爾質量，其值為28.9626kg/kmol；

R——通用氣體常數，其值為O.00831451MPa ? m³ （kmol· K）；

Za——標準狀態下干空氣的壓縮因子，其值為O.99963；

Zn——標準狀態下天然氣的壓縮因子，按GB/T 17747， 1~3標準計算；

Pf——工作狀態下天然氣的靜壓， MPa，壓力實測值；

Tf——工作狀態下天然氣的熱力學溫度， K，溫度實測值；

Zf——工作狀態下天然氣的壓縮因子，按GB/T 17747， 1~3標準計算；

G_r——天然氣的真實相對密度。

天然氣在標準狀態下的密度Pn的實用公式與式（3.57）相似，其中ρf、Tf、Zf用標準狀態的Pn、Tn、Zn替代即可。

因此天然氣標準體積流量qn的計算式還可寫成

式中 qvf——含義同式（3.55）；

Pf——工作狀態壓力， MPa，壓力實測值；

Tf——工作狀態熱力學溫度， K，溫度實測值；

Zf——工作狀態下天然氣的壓縮因子，按GB/T 17747，1~3標準計算；

pn——標準狀態壓力， MPa，其值為0.101325 ；

Tn——標準狀態熱力學溫度， K，其值為293.15；

Zn——標準狀態下天然氣的壓縮因子，按GB/T 17747，1~3標準計算。

②天然氣質量流量計算。天然氣的質量流量計算式為

式中 qm——天然氣的質量流量， kg/s，除由式（3.59）計算外，也可由質量流量計直接測量；

qvf——含義同式（3.55） ；

ρf——含義同式（3.55）。

工作狀態下的天然氣密度ρf可用氣體密度計在線進行天然氣氣流密度的實測，用實測值參與流量計算。如果用式（3.57）計算ρf值，應有工作狀態下的靜壓Pf、熱力學溫度Tf和天然氣組分分析數據Yi（組分摩爾分數），按相應的標準計算天然氣的摩爾質量Mm和壓縮系數Z_f，Z后才能計算出pf的值來。

③天然氣能量流量計算。天然氣的能量流量可以由標準體積流量或質量流量乘以發熱量Hs來計算。以標準體積流量計算能量流量的計算式為

式中 En——天然氣的能量流量， MJ/s；

qvn——天然氣的標準體積流量，由式（3.55）或式（3.58）所得結果；

Hsnv——單位標準體積的高位發熱量， MJ/m³，實測或計算。

以質量流量計算能量流量的計算式為

式中 En——含義同式（3.60）；

qm——天然氣的質量流量，由式（3.59）所得結果；

Hsnm——單位質量的高位發熱量， MJ/s，實測或計算。

④發熱量測量。天然氣發熱量可采用直接或間接的測量方法獲得。對于管網系統，當使用直接測量不經濟時，其結算用的發熱量也可以用計算方法獲得。兩種方法都有在線和離線兩種方式。

a.直接測量法。直接測量法可按GB 12206標準的要求進行。采用水流式熱量計，由水流量穩定調節、天然氣流量穩定調節和測量、水溫氣溫測量、氣體燃燒和水計量五部分組成。儀器的具體操作方法修正系數計算請參閱GB 12206-1998《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》。

b.間接測量法。間接測量法是采用GB/T 11062標準規定的方法測量天然氣的發熱量， 它是基于對天然氣組分進行全分析，然后進行計算，各組分含量同各自發熱量的乘積之代數和即為天然氣的發熱量。組分分析一般采用氣相色譜法，具體操作方法請參閱GB/T13610-1992《天然氣的組成分析——氣相色譜法》。

⑤密度測量。天然氣密度可以用天然氣密度計在線直接測量，也可離線間接測量。

a.在線密度測量。在線密度測量是為了求得流過流量計的天然氣質量流量。如果要求得到天然氣的標準體積流量，還需得到標準狀態下的天然氣密度。

對于孔板流量計而言，若在線密度計的樣氣從上游取壓孔取出，樣氣流入在線密度計，它應以特別低的流速流入，并保證對壓力和差壓的測量沒有影響。

除旋轉式容積流量計以外的其他流量汁，在線密度計宜安裝在流量計下游，以避免流量計入口速度分布被干擾。

從取樣口到在線密度計之間的連接管線應盡量短，連接件、管線應絕熱保溫，以減小環境溫度對取樣氣的影響。

為確保在線密度計所測密度值與流經流量計的密度值相同，應將密度傳感器的露出部分和流量計的上、下游適當長度的管路進行隔熱。

在線密度計應有樣氣溫度測量，當樣氣溫度同主管道中天然氣溫度有差異時，應該用修正值進行補償。

b.離線密度計算。在計量站取樣口取出有代表性的樣氣，采用氣相色譜儀分析出天然氣的全組分分析數據，測量出主管道內天然氣靜壓力和流體溫度，然后按式（3.57）計算工作狀態下的流體密度。其中摩爾質量Mm按標準GB/T 11062計算得到；工作狀態下壓縮系數Zf按GB/T 17747. 1~3標準計算。

⑥幾種天然氣常用流量計選型指南。不同的準確度要求和不同的使用條件，天然氣流量測量可有多種儀表可選，應綜合考慮其準確性、可靠性、安全性及經濟性等因素后確定，過分追求高準確度會增加不合理的費用。表3.8所列是幾種天然氣常用流量計選型指南。

（2）標準孔板差壓式流量計方法

標準孔板差壓式流量計已經成為*Z主要的天然氣流量計。幾十年來AGA Report No.8總結了幾十項針對天然氣計量的專項研究和實踐應用，在量的基礎上產生了質的飛躍，其標志就是標準化，即使用標準孔板流量計，可以無須實流校準而確定信號（差壓）與流量的關系，并估算其測量誤差，目前在全部流量計中是惟一達到此標準的。為了消除自身存在的輸出信號為模擬信號、重復性不高、范圍度窄、壓損大等重大缺點，采用了微電子技術、計算機技術、定值節流件和標準噴嘴等技術裝置，使其技術水平有了進一步提高。

①流量計算方法。用來測量天然氣流量的標準孔板流量計，就其結構和基本計算公式來說，同測量一般氣體的孔板流量計并無二致，有差異的僅僅是計算基本公式中的關鍵變量工作狀態下流體密度ρ時，針對天然氣的特性有一些的方法。AGA Report No.3（l990~ 1992年第3版）《天然氣流體計量同心直角邊孔板流量計》提供了實用方法。我國在ISO 5167：2003的基礎上，參考了AGA報告了制訂了行業標準SY/T6143-2004《用標準孔板流量計測量天然氣流量》。

GB/T 2624-2006中給出的質量流量同差壓的關系如式（3.1）所示，由于標準孔板計量方法中規定，采用標準狀態的體積流量qvn計量天然氣，其計算式為

式中 ρn——天然氣在標準狀態下的密度， kg/m³。

將式（3.62）整理后代入式（3.1）得出標準體積流量qvn計算的基本公式為

式中 ρ1——天然氣在流動狀態下上游取壓口處的密度， kg/m³。

根據

式中 G_r——標準狀態下的天然氣真實相對密度；

Z₁——天然氣在流動狀態下上游取壓口處的壓縮系數；

P_l——天然氣在流動狀態下上游取壓口處的壓力， MPa；

T_l——天然氣在流動狀態下上游取壓口處的熱力學溫度， K；

Pn——標準狀態壓力， MPa，其值為0.101325；

Tn——標準狀態熱力學溫度， K，其值為293.15；

Za——干空氣在標準狀態下的壓縮因子；

Zn——天然氣在標準狀態下的壓縮因子；

Ma——干空氣的摩爾質量；

R——通用氣體常數。

聯解式（3.63）、式（3.64）和式（3.65），整理得到天然氣標準體積流量計算的實用公式：

式中 qvn——標準狀態下天然氣體積流量， m³/s；

As——秒計量系數，視計量單位而定，此式

C——流出系數；

E——漸近速度系數，

d——孔板開孔直徑， mm；

F_G——相對密度系數；

ε1——可膨脹性系數；

Fz——超壓縮系數；

F_T——流動溫度系數；

P₁——孔板上游取壓口流體靜壓， MPa；

ΔP——氣流流經孔板時產生的差壓， Pa。

②系數參數確定

a.相對密度系數F_G。該系數是在天然氣流量實用方程推導過程中定義的一個系數，其值按下式計算

真實相對密度G_r按SY/T 6143式（A.7）確定。

b.天然氣超壓縮系數Fz。天然氣超壓縮系數是因天然氣特性偏離理想氣體定律而導出 的修正系數，其定義式為

式中 Zn——天然氣在標準狀態下的壓縮因子；

Zf——天然氣在流動狀態下的壓縮因子。

Fz值按SY/T 6143表A.2.1或A.2.2確定。

c.流動強度系數F_T。流動溫度系數F_T是因天然氣流經節流裝置時，氣流的平均熱力學溫度T偏離標準狀態熱力學溫度（293.15K）而導出的修正系數，其值按下式計算：

式中

tf——為天然氣流過節流裝置時實測的氣流溫度，℃。

③天然氣流量計算實例（孔板開孔直徑設計計算）詳見3. 8節。

（3）氣體渦輪流量計方法

氣體渦輪流量計是僅次于孔板流量計的被廣泛用于天然氣流量測量的儀表。

氣體渦輪流量計的優點是結構簡單，安裝方便；外形尺寸相對較小；度高；重復性好；范圍度寬，可達到15：1~25：1，在高壓輸氣的情況下，范圍度還可增大；其輸出為脈沖頻率信號，因此在同可編程流量顯示表配用時，容易得到較低的系統不確定度。近幾年來，國內已有不少儀表廠生產這種儀表，并在油氣田推廣應用。

其不足之處是渦輪高速轉動，軸承與軸之間機械摩擦，壽命不很長，因此應注意潤滑，可利用制造廠所提供的潤滑手段，定期補給潤滑油。

另外，高速流動的氣體中如果含有較大的固體顆粒，很容易將渦輪葉片打壞，因此，渦輪流量計前的管道上應加裝過濾器。

儀表投運步驟；如果計量回路裝有旁通閥，應先開足旁通閥，然后開足上游切斷閥，再緩慢開啟下游切斷閥，Z后緩慢關閉旁通閥；如果計量回路沒有安裝旁通閥，則應先開足上游切斷閥，然后緩慢開啟下游切斷閥，防止渦輪受高速氣流沖擊而損壞。

（4）氣體超聲流量計方法

用聲學測量技術測量流體流量已有約40年的歷史，特別是20世紀90年代以來，隨著高速數字信號處理技術和先進的壓電陶瓷技術的發展，用氣體超聲流量計測量天然氣流量的技術取得了突破性發展。由于具有高技術的氣體超聲流量計具有測量范圍寬、測量準確度高、無壓損及可動部件、安裝使用費用低等諸多優點，它己被歐美等國幾百家用戶用于天然氣貿易計量。至今已有美國、荷蘭、英國、德國等12個國家的政府批準氣體超聲流量計作為法定計量器具。美國煤氣協會已于1998年6月發布了AGA Re-port No.9《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》。我國主要參考了該報告，并參考了 ISO/TR 12765《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內的流體流量》，制訂了相應的標準 GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》。

①基本原理。用來測量天然氣流量的超聲流量計一般是自帶測量管段的由超聲換能器等構成的時差法流量計量器具，換能器一般沿管壁安裝，且直接同流體接觸，由一個換能器發射的超聲波脈沖被另一個換能器所接收，反之亦然。圖3.24所示為Tx1和Tx2兩個換能器的簡化幾何關系， 聲道與管道線間的夾角為Ψ，管徑為D。在某些儀表中采用了反射聲道，此時聲波脈沖在管壁上經一次或多次反射。

超聲脈沖穿過管道如同渡船河流。如果沒有流動，聲波將以相同速度向兩個方向傳播，當管道中的氣體流速不為零時，沿氣流方向順流傳播的脈沖將加快速度，而逆流傳播的脈沖速度緩慢。因此，相對于沒有氣流的情況，順流傳播的時間t_D將縮短，逆流傳播的時間t_U會增長，根據這兩個傳播時間，就可以計算測得流速。這就是時差法超聲流量的基本原理。

在圖3.24中，有下面的關系式成立，即

將式（3.70）和式（3.71）聯立并解之得

式中 L——超聲在換能器之間傳播路徑長度， m；

X——聲道長度在管軸線的平行線上的投影長度， m；

t_D、t_U——超聲順流傳播時間和逆流傳播時間，S；

c——超聲在靜止流體中的傳播速度， m/s；

Vm——流體通過換能器之間聲道上平均流速， m/s。

其實，式（3.72）計算得到的流速還只是沿聲道方向流體速度的平均值。而用戶想知道的是管道橫截面上的平均流速v，由Vm計算v一般引入一個速度分布校準系數是c，即

式中 V——管道橫截面上的平均流速；

kc——速度分布校準系數；

Vm——含義同式（3.72）。

kc的數值主要取決于流體的雷諾數。如果聲道在通過管道軸線的平面內，則由下式給出kc的一個近似值^[22]，即

對于充分發展的紊流，如果聲道不在通過管道軸線的平面內（即傾斜的弦線），則kc系數及它與雷諾數的關系都將不同。在多聲道流量計中，這種情況是常見的，因為換能器有多種布置形式，聲道可以相互平行，也可能是其他取向。流量計可以沿兩個或多個傾斜弦線直接傳播聲波或經反射傳播聲波。用于將各個聲道的測量值合成為平均流速的方法也隨流量計的特定結構而變化。

②流量測量準確度

a.氣體超聲流量計的測量準確度受下列諸因素的影響：流量計殼體幾何尺寸和超聲傳感器位置的參數的準確性；流量計所采用的積分技術；速度分布剖面的質量、氣流的脈動程度和氣體的均勻性；傳播時間測量的準確度。傳播時間測量的準確度又取決于電子時鐘的穩定性、對聲脈沖波參考位置檢測的一致性及對電子元件和傳感器信號滯后的適當補償。

對于每一尺寸結構的氣體超聲流量計，制造廠家應規定流量界限值，即Z小流量qmin、轉換點流量qt和Z大流量qmax，而且在不同的流量區間進行任何校準系數調整之前，測量性能應滿足下列要求。

重復性：±0.2% qt≤q≤qmax （q為被測流量，下同。）

±0.4% qmin≤q≤qt

分辨率：O.001m/s

速率采樣間隔：≤1s

Z大峰間誤差（見圖3.25）：0.7%， qt≤q≤qmax

零流量讀數（對于每一聲道）：<12mm/s

氣體超聲流量計的準確度不僅同流速有關，而且同儀表口徑有關。對于小口徑儀表，由于聲道長度較短，在紊流氣體中測量聲波傳播時間比較困難，因此小口徑氣體超聲流量計的準確度較難提高。

b.大口徑流量計的準確度。在進行任何校準系數調整之前，口徑等于或大于300mm的 多聲道氣體超聲流量計應當滿足下列測量準確度要求（見圖3.25）。

Z大誤差： ±0.7% qt≤q≤qmax

±1.4% qmin≤q≤qt

c.小口徑流量計的準確度。在進行任何校準系數調整之前，口徑小于300mm的多聲道氣體超聲流量計應滿足下列測量準確度要求（見圖3.25）。

Z大誤差：±1.0% qt≤q<qmax

±1.4 % qmin≤q≤qt

d.雙向測量的準確度。氣體超聲流量計具有雙向測量能力，而且雙向測量的準確度相同。

③儀表的使用

a.適用范圍。氣體超聲流量計適用于DN≥100mm、ρ≥0.3MPa（表壓）的生產裝置、 輸氣管線、儲藏設施、配氣系統和大用戶終端計量站中的天然氣計量。

b.天然氣氣質要求。流量計所測量的天然氣組分一般應在GB/T 17747和GB 17820所 規定的范圍內；天然氣的真實相對密度為0.55~0.8。

在可衰減聲波的CO₂含量超過10%，或在接近天然氣混合物臨界密度的條件下工作，或總含硫量超過460mg/m³（包括硫醇、H₂S和元素硫）的情況下，用戶應向制造廠提出相應的專門要求。

c.測量管內附著物的處理。正常輸氣工況下在流量計測量管內的附著物（如凝析液或帶有加工雜質的油品殘留物、灰和砂等）會減少流量計的流通面積，影響計量準確度。同時附著物還會阻礙或衰減超聲傳感器發射和接收超聲信號，或者影響超聲信號在流量計測量管內壁的反射，因此流量計測量管應定期檢查、清洗。

④儀表的安裝

a.避開振動環境。氣體超聲流量計的安裝應盡可能避開振動環境，特別要避開可能引起信號處理單元、超聲換能器等部件發生共振的環境。

b.避免聲學噪聲干擾。來自被測介質內部的噪聲可能會對氣體超聲流量計的準確測量帶來不利影響，在設計、安裝過程中應讓氣體超聲流量計盡可能遠離噪聲源或采取措施消除噪聲干擾。

c.氣體過濾。在介質較臟的場合，可在流量計的上游安裝效果良好的氣體過濾器。過濾器的結構和尺寸應能夠保證在Z大流量下產生盡可能小的壓力損失和流態改變。在使用過程中，應監測過濾器的差壓，定期進行污物排放和清洗，確保過濾器在良好的狀態下工作。

d.雙向應用的配管。如果所使用的氣體超聲流量計具有雙向流測量功能，并且也準備將其應用于這種測量場合，那么在設計安裝時，流量計的兩端都應視為上游，即下游的管道配置形式及相關技術要求應與上游一致，并符合直管段等要求。

⑤組態和維護軟件。流量計應具有對信號處理單元（轉換器）進行就地和遙控組態及監控流量計運行的能力，該軟件至少應當顯示和記錄下列數據；瞬時流量、軸向平均流速、平均聲速、沿每一聲道的聲速和每一超聲換能器所接收的聲波信號的質量。

?報警功能。流量計應能以失效安全型、干繼電器接點或與地隔離的無源固態開關的

形式提供下述報警狀態輸出，以便及時采取應急措施。

a.輸出失效：當在管輸條件下指示的流量無效時。

b.故障狀態：當若干個監視參數中的任一個在相當的一段時間內超出了正常工作范圍。

c.部分失效：當多路聲道的一個或多個無法使用時。

⑦零流量檢驗測試。每臺流量計都應進行零流量檢驗測試，并遵循以下步驟。

a.在流量計兩端裝上盲板后，用抽吸或置換的方法將流量測量管內的所有空氣排出， 壓進聲速已知的純氣體（通常為氮氣）或混合氣體，在這個測量腔內保持零流量。

b.從測試開始，氣體的壓力和溫度應保持穩定。在零流量時，信號的順流傳播時間t_D和逆流傳播時間t_U應是相等的，即

③實流校準

a.校準應測試下列流量點： qmin、O.1Oqmax、O.25qmax、O.40qmax、O.7Oqmax和qmax。

b.實流校準應在用戶平均操作條件的氣體溫度、壓力和密度下進行。校準時應考慮標準裝置的不確定度對測試結果不確定度的合成。

c.在實流校準測試時，每個流量點至少測試3次，每次數據采集時間不得小于lOOs， 一般為200s，并取3次平均值，在流量下限部分，測試可增加到5~lO次。

d.校準完畢，可根據各流量實驗點的誤差計算校正值，并采用合適的誤差修正方法予以修正。

⑨現場驗證測試要求。氣體超聲流量計一般都有豐富的自診斷功能，在儀表工作異常時，調閱診斷信息，可獲得重要線索。除此以外，還可通過下面的測試和分析，對儀表工作情況作出判斷。

a.零流量測試。在無流動介質的情況下，檢查流量計的讀數是否為零或在流量計本身規定的允許范圍內。

b.聲速測試及分析。首先測出某一工況條件下的實際聲速，再計算出相同條件下的理論聲速，兩者之間的差值應在儀表本身規定的允許范圍內。

c.聲道長度測試及分析。首先測量出實際聲道長度，然后在零流量條件下，由理論聲速和測量出的傳播時間計算出聲道長度，兩者之間的差值應在儀表本身規定的允許范圍內。

d.聲道間讀數差異檢查。對于多聲道超聲流量計，應檢查不同聲道在零流量條件下的讀數，其讀數差異應在儀表本身規定的允許范圍內。

（5）城市天然氣流量計的選型 城市是天然氣使用的Z終用戶，城市普遍使用天然氣是現代化的標志之一。面對系統繁雜、需求多樣的用戶群體，要處理許多同輸氣計量站不同的問題，其顯著的特點是：流體壓力較低（1.6MPa以下）；口徑較小（DN300以下）；安裝條件差（直管長度不足）；管道維護力量薄弱；要求計量儀表功能簡明易懂、操作方便、免維修、價格適中等。在作計量儀表選型時，不僅要考慮用戶的經濟承受能力，還要兼顧用戶單位儀表選型的傳統習慣。在眾多的流量計類型中，除了上面三種，常見的還有下面幾種。

①旋轉式容積流量計。用作天然氣計量的旋轉式容積流量計主要是氣體腰輪流量計，不僅可用來計量干氣，也可用來計量濕氣（即伴生氣）。由于孔板流量計和渦輪流量計不適應測量含有液滴的伴生氣，氣體腰輪流量計因沒有嚴格要求，所以相對具有一定的*性。容積式流量計的另一優點是對流動脈動不敏感。

氣體腰輪流量計在使用中應注意以下幾個問題。

a.為防卡、堵，流量計前應加裝網目數恰到好處的過濾器，并注意排污、檢查和清洗 過濾網。

b.儀表投運前應先走旁通，并確保儀表前、過濾器后的管段內沒有焊渣等垃圾。投運步驟與前面所述的氣體渦輪流量計相同。防止腰輪在超速條件下運行o

c.應防止計量腔積液，為此，儀表應垂直安裝，流量計應高出工藝管線，以便定期排出積液。

d.容積式流量計運行出現問題時，其上下游壓差可能產生相應變化，因此維修人員應經常留心觀察此壓差，從而對故障是否存在作出判斷。

e.沖洗管道的蒸汽禁止通過流量計。

f.定期拆洗保養和潤滑。

容積式流量計的不足之處是高速轉動時噪聲較大。轉動部分一旦被垃圾卡死就會影響天然氣的供應。其另一個特殊的地方是有降壓脈動。根據測量原理，腰輪轉動時會產生小的壓力脈動。通常情況下，此脈動對自身測量無影響，但在用標準表同腰輪流量計串聯起來校準時，就有可能對標準流量計的準確度產生影響。

②旋進旋渦流量計

a.儀表結構與工作原理。旋進旋渦流量計的結構如圖3.26所示，它由殼體、旋渦發生器、檢測元件和轉換顯示系統組成。旋渦發生器使氣流旋轉并產生旋渦流，殼體內的文丘里管及擴散段使渦流發生進動，檢測元件將進動頻率檢測出來。轉換和顯示系統將檢測到的信號放大和轉換后經運算在顯示器上顯示并將信號送二次表處理。

b.儀表的特點：工作溫度范圍寬；范圍度大；雷諾數在一定范圍內，不受流體溫度、壓力、密度和黏度影響；適應性強，除含有較大顆粒或較長纖維雜質外，一般不需裝過濾器；對上下游直管段要求較低，取上游4D和下游2D直管段即可輸出頻率同體積流量成線性關系。

其不足之處是壓損較大，其次，旋進旋渦流量計屬流體振動式流量計，對于管道振動和電磁干擾較敏感，所以只能在振動較小、無電磁干擾的環境中使用。

5 間接法測量組分變化氣體的質量流量

*，采用溫度、壓力和壓縮系數補償的方法可以用來測量氣體質量流量，但這于組成穩定或組成只有很小變化的一般氣體，這時，組成對流體密度的影響可予忽略，因此對測量示值的影響也可忽略。

對于組成變化較大的氣體，組成對流體密度的影響就不能忽略了。例如在煉油廠、石化廠，有些石油加工過程中的石油氣組成變化很大，流體標準狀態密度在較大的范圍內變化。有的可燃氣體系統變化范圍可達0.1554~2.0321kg/m^3[27]，這時，如果仍然將流體標準狀態密度當作常數來處理，Z大測量誤差就將達百分之幾十，這是不允許的。

采用渦街流量計與孔板差壓式流量計串聯并同流量演算器一起組合而成的測量系統能很好地解決這個問題，其原理框圖如圖3.27所示。

在該系統中有下面的關系式。渦街流量傳感器數學模型為

式中 qm——質量流量；

ρ——渦街流量傳感器出口端流體密度；

f——渦街流量傳感器輸出頻率；

K_t——渦街流量傳感器工作狀態下流量系數。

孔板式差壓流量計數學模型為

式中 k₁——系數；

ρ₁——節流體正端取壓口處流體密度；

Δp——差壓。

將式（3.77）平方后除以式（3.76）得

由于孔板差壓式流量計串接在渦街流量計后面，ρ1與ρ近倒相等，即

所以式（3.78）可化簡為

在流量演算器中具體實現式（3.80）時，Δρ可由式（3.81）求得。

式中 Ai——差壓輸入信號；

Δpmax——流量測量上限所對應的差壓。

而k₁可由孔板差壓式流量計的滿度條件求得。

從式（3.77）得

式中 qmmax——流量測量上限；

ρ1d——設計狀態下孔板正端取壓口流體密度。

所以

因此，將K_t、ΔPmax、qmmax和ρ1d置入演算器，儀表就能從輸入信號A_i和f計算qm。

演算器不僅能計算和顯示質量流量，而且能計算和顯示密度ρ。

將式（3.76）、式（3.80）和式（3.79）聯立解之得

儀表顯示的流體密度值可用成分分析儀器測得的混合氣體組分值，與經下式計算得到的理論密度進行比較，求得示值誤差。

式中 ρn——標準狀態混合氣體密度；

X₁，…， X_m——各組分的含量（V/V）；

ρ₁，…，ρ_m——標準狀態條件下各組分密度。

工作狀態下混合氣體理論密度ρf為

求得理論密度后，還可用式（3.76）計算理論質量流量，用以校驗儀表的質量流量示值。這一方法尤其適合流體組分變化頻繁、變化幅度大的對象，但需兩臺流量計，對于管徑較大的對象，投資略大些。所以，對于組分變化不頻繁、變化幅度也不很大的對象，例如天然氣流量測量，可用溫度、壓力補償，再配上組分修正的方法，更可節約投資。

使用這個方法進行組分補償時，選擇幾個變化幅度較大的組分定期用儀器進行分析，并用人工方法修改流量演算器中相應窗口的組分設置值，用新的分析值取代原有的設置值。儀表運行后就可按式（3.84）和式（3.85）計算流體密度，進而計算質量流量或標準狀態體積流量。

智能流量演算器是工業儀表，采用演算器完成上述演算不僅度高，可靠性好，而且安裝使用方便。

6 用科氏力流量計測量組分變化氣體的質量流量

近年來，科氏力流量計的制造技術獲得了快速發展，例如CMF1OO傳感器與2400S變送器配用，測量液體時，流體的質量流量度可達流量值的±0.05%，而且已延伸到氣體流量的測量。應用上述配置的流量計測量氣體質量流量，度可達流量值的±0.35%。因為它能直接顯示質量流量，所以比3.2.5節所述的方法更簡單、更準確，但因氣體管道直徑一般比較大，選用科氏力流量計去測量投資很高，所以具體選型時應根據必要性決定取舍。

應用科氏力流量計測量氣體流量時還要考慮一個重要問題，即可行性。因為現有的產品測量壓力很低的氣體流量，目前還有困難，所以選型時應列出具體測量點的工況條件及物性數據，向供應商咨詢，確認是否落在可測范圍內。