國際流量測(cè)量技術(shù)學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)

國際流量測(cè)量技術(shù)學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)

國際流量測(cè)量界所召開的最重大的學(xué)術(shù)會(huì)議主要有以下兩個(gè)：
    （1）2001年5月7~10日在蘇格蘭，皮布爾斯（Peebles)召開的“2001國際流量測(cè)量學(xué)術(shù)會(huì)議”（FLOW MEASUREMENT 2001 INTERNATIONAL CONFERENCE）。該會(huì)議由NEL主辦，會(huì)議的主題是：“在工業(yè)各領(lǐng)域中創(chuàng)造效率”。
    （2）2002年4月7~10日在美國首都華盛頓附近的阿林頓（Arlington）召開的“第5屆國際流體流量測(cè)量學(xué)術(shù)會(huì)議（The 5th International Symposium on Fluid Flow Measurement)，在此次學(xué)術(shù)會(huì)議的前后還在同一地點(diǎn)召開了ISO／TC30SC2；ISO／TC30／SC5；ISO／TC30／SC9的工作會(huì)議以及CIPM／CCM／WGFF流量工作組的第3次會(huì)議。
    從以上所述這兩次國際學(xué)術(shù)會(huì)議上所發(fā)表的近百篇學(xué)術(shù)論文以及ISO／TC30三個(gè)分委員會(huì)的會(huì)議和WGFF的會(huì)議，集中反映了當(dāng)今國際流量測(cè)量技術(shù)的最新水平，并展示了流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及主要方向。本文擬介紹國外流量測(cè)量技術(shù)的若干動(dòng)向，以供國內(nèi)有關(guān)部門考慮問題時(shí)作為參考。

    一、差壓式流量計(jì)國際標(biāo)準(zhǔn)的新變化

    1.1關(guān)于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167的修訂工作
    采用孔板、噴嘴和文丘里管等節(jié)流裝置的差壓式流量計(jì)是一種應(yīng)用面最廣，應(yīng)用量最多的流量儀表，這類儀表占整個(gè)流量計(jì)的60~70％。因此ISO5167的修訂工作一直是ISO／TC30／SC2的重點(diǎn)項(xiàng)目。由于我國的GB／T2624－93就是等效采用ISO5167－1（1991）的，因此ISO5167的修訂也更為我國流量界所矚目。ISO5167的修訂已有約10年的歷史，現(xiàn)已進(jìn)入DIS的最后階段。ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)的最終草案共包括以下4部分，即：

    ISO／DIS5167－1（第1部分：總則）；

    ISO／DIS5167－2（第2部分：孔板）；
    ISO／DIS5167－3（第3部分：噴嘴與文丘里噴嘴）；
    ISO／DIS5167－4（第4部分：文丘里管）。

    ISO／TC30／SC2計(jì)劃將于今年7月將最終草案分發(fā)到各成員國征求意見，經(jīng)過3個(gè)月，預(yù)計(jì)將于今年9月投票表決。被批準(zhǔn)認(rèn)可的DIS將被注冊(cè)登記為FDIS。初步計(jì)劃在今年10出版FDIS。
    1.2 ISO5167新標(biāo)準(zhǔn)所修改的主要內(nèi)容：
    （1）根據(jù)大量數(shù)據(jù)回歸的R／G公式取代了原來的Stolg公式；
    （2）在沒有流動(dòng)調(diào)整器的條件下，對(duì)孔板（或文丘里管）與一些上游阻流件之間所需要的最小直管段提出了全新的及更長的要求，詳見表1（文獻(xiàn)1）；表2和表3；
    （3）如在孔板上游安裝流動(dòng)調(diào)整器則可以適當(dāng)縮短孔板上游的直管段；（詳見標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)表格）；
    （4）采用新公式來計(jì)算孔板的可膨脹性系統(tǒng)；
    （5）修訂了關(guān)于孔板的不同軸度、不平面度及孔板上游管道粗糙度的限制要求…等。
    1．3 為修訂ISO5167所進(jìn)行的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)
    同軸或不同軸的漸擴(kuò)管和漸縮管是相當(dāng)常用的阻流件。在API／ANSI2530（1991－1999）的標(biāo)準(zhǔn)中將漸擴(kuò)管與漸縮管歸為同一類阻流件，這與ISO5167－1991有明顯的不同。例如在β=0.75時(shí)，API標(biāo)準(zhǔn)要求為13D，而ISO標(biāo)準(zhǔn)則要求在漸縮管后有22D，在漸擴(kuò)管后要求有38D，即漸擴(kuò)管后要有比漸縮管后更長的直管段。據(jù)文獻(xiàn)（2）報(bào)導(dǎo)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明API／ANSI老標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于漸擴(kuò)管后直管段的規(guī)定不對(duì)，應(yīng)予以改正。但是，還需要從另一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室中獲得另一組數(shù)據(jù)來證明同一問題后，才能對(duì)API／ANSI老標(biāo)準(zhǔn)的這條規(guī)定進(jìn)行修訂。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：不同軸的漸縮管或漸擴(kuò)管以及閘閥對(duì)測(cè)量的影響與取壓口的方位有關(guān)，隨著L／D的增加，因取壓口方位不同所受的影響會(huì)減少�？偟恼f來，不對(duì)稱組件（即不同軸的各種阻流件）比同軸阻流件要求有更長的直管段。實(shí)驗(yàn)證明：API／ANSI老標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)同軸縮管及閘閥后直管段的規(guī)定是適當(dāng)?shù)�；在低壓空氣裝置上作上述實(shí)驗(yàn)，同樣可獲得高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且還易于操作并且花費(fèi)更少。在垂直平面上的兩個(gè)90°彎頭的實(shí)驗(yàn)是在高壓氣體流量裝置上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明：如果S為O，兩彎頭間無法蘭，則在高ReD下，旋轉(zhuǎn)流的耗散要緩慢得多，甚至在此雙彎頭后81D處，仍能影響孔板流量計(jì)的不確定度，可測(cè)得較大的正的系統(tǒng)誤差。
    新修訂的ISO－5167和API／ANSI－2530標(biāo)準(zhǔn)中，在沒有流動(dòng)調(diào)整器的條件下，在孔板上游都推薦使用更長的直管段（詳見表1）。然而，有些新的推薦值只是根據(jù)了有限的幾組數(shù)據(jù)。因此有必要對(duì)數(shù)據(jù)較少的那些安裝條件或上游阻流件的幾何參數(shù)局限于一定范圍的安裝條件補(bǔ)作實(shí)驗(yàn)并重復(fù)檢查孔板流量計(jì)的性能。據(jù)文獻(xiàn)（3）的報(bào)告，實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)低壓空氣裝置上作的，選用的上游阻流件有T形管、成45°角斜接的90°彎頭和在同一平面上的兩個(gè)45°彎頭，而且兩個(gè)彎頭之間的間距S很短（S＝2D~10D）。用作彎頭的T形管有幾種形式：如帶銳邊的；邊緣倒圓的或邊緣倒圓帶有延長管的T形管等。利用上述各種形式的T形管作為上游的彎頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明：新修訂的ISO孔板標(biāo)準(zhǔn)在適應(yīng)上游阻流件幾何參數(shù)的變化方面是足夠保守的。只在有實(shí)驗(yàn)帶10D（的）延長管的T形管時(shí)，新標(biāo)準(zhǔn)推薦的直管段略顯稍短。對(duì)于45°角斜接的90°彎頭可以按照用作彎頭的T形管或單個(gè)90°彎頭等阻流件的要求，選定所需的直管段。對(duì)于在同一平面上的兩個(gè)45°彎頭（S＝2D~10D），其后所要求的直管段類似于在同一平面內(nèi)的兩個(gè)90°彎頭且S≥22時(shí)所要求的直管段。通過以上實(shí)驗(yàn)證明了如下兩條結(jié)論：
    1．新的ISO及API／ANSI／AGA孔板標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的上游最小直管段絕對(duì)不是過于保守的；
    2．在新標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于最小直管段的表格中，上游阻流件的幾何參數(shù)在一定的容許范圍內(nèi)是可以擴(kuò)展或變化的。
孔板流量計(jì)上游的管徑突變對(duì)孔板流量計(jì)流出系數(shù)的影響是文獻(xiàn)4的主題�，F(xiàn)有的一個(gè)孔板流量計(jì)是否可以與不同管徑的工藝管路相連接？對(duì)于一個(gè)經(jīng)黨校準(zhǔn)孔板流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)室也經(jīng)常會(huì)面對(duì)同樣的問題�，F(xiàn)在ISO－5167－1：1991標(biāo)準(zhǔn)對(duì)孔板上游管徑的要求是相當(dāng)嚴(yán)格的，在國標(biāo)GB／T2624－93中6.5.1.2條明確規(guī)定：“離節(jié)流件2D以外，敷設(shè)在節(jié)流件與第一上游阻流件之間的上游管段，可由一種或多種截面的管道組成，只要任一臺(tái)階不超過6.5.1條規(guī)定的±0．3％的圓度要求，則流出系數(shù)無附加不確定度�！�
    第一阻流件有可能在孔板上游100D處（D為管道內(nèi)徑），如果是小管徑，則可能必須將上游的整個(gè)管道進(jìn)行加工以滿足上述0.3％的要求。但如果臺(tái)階出現(xiàn)在2D處和50D處，在兩處按相同的要求來處理管徑突變問題可能是不必要的。作者用管壁系列號(hào)為80，120和10的管道安裝在管壁系列號(hào)為40的孔板流量計(jì)的上游的不同距離（5D，9D，14D，21D，31D和46D）處。實(shí)驗(yàn)證明ISO－5167－1：1991中對(duì)上游管道連接處臺(tái)階的要求過于保守。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)將和于新修訂的ISO－5167－2標(biāo)準(zhǔn)，用來推薦最大允許的臺(tái)階值。實(shí)驗(yàn)還證明：大于0．3％的臺(tái)階的位置臺(tái)在46D以外時(shí)，影響已小于0.1％。
    綜上所述，以上文獻(xiàn)（1至4）中所報(bào)導(dǎo)的近幾年來的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)工作及其結(jié)論對(duì)于ISO－5167，API／ANSI－2530和AGA－3等標(biāo)準(zhǔn)的修訂是十分有益的。所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是修訂標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。與修訂前的ISO－5167相比較，新修訂的標(biāo)準(zhǔn)在上有許多實(shí)質(zhì)性的變化，其中最主要的一條變化就是對(duì)孔板等節(jié)流裝置的上游最小直管段提出了全新的和加長的要求。對(duì)這種新變化和新要求應(yīng)予以高度重視。

    二、如何應(yīng)對(duì)ISO－5167修訂后的新變化與新要求
    由于流量計(jì)的使用目的和應(yīng)用場所的不同，對(duì)其準(zhǔn)確度的要求也各不相同。按使用目的分類，大概可以將流量計(jì)分為以下三大類（文獻(xiàn)5）：
    1．用于貿(mào)易輸送計(jì)量的或用來校準(zhǔn)其他流量計(jì)的；對(duì)此類流量計(jì)的計(jì)量學(xué)特性有嚴(yán)格要求；
    2．用于一般性的監(jiān)測(cè)或檢測(cè)；
    3．用于一般性的過程控制。
    對(duì)于2、3類流量計(jì)的準(zhǔn)確度要求可適當(dāng)放寬，應(yīng)對(duì)辦法也不同。針對(duì)修訂的ISO－5167－2的新要求，在一個(gè)氣體貿(mào)易輸送計(jì)量站上是如何應(yīng)對(duì)的？長達(dá)25頁的文獻(xiàn)6作了詳盡的分析報(bào)告，他們的經(jīng)驗(yàn)值得我們參考與借鑒�，F(xiàn)將該文摘要匯報(bào)如下：
    烴源有限公司（簡稱HRL）下屬的南莫克姆（South Morecambe）天然氣計(jì)量站是英國最大的天然氣貿(mào)易計(jì)量站之一，每日的氣量高達(dá)5千萬標(biāo)立方米，該站于1985年投運(yùn)。1998年HRL決定對(duì)該站使用孔板的天然氣貿(mào)易計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，并開始可行性分析研究。通過審查發(fā)現(xiàn)使用孔板有如下幾個(gè)主要問題：
    1．現(xiàn)場孔板上游的直管段長度太短，不符合新修訂的ISO－5167和AGA3中關(guān)于孔板上游最小直管段長度的要求。原有的計(jì)量系統(tǒng)由6個(gè)24″（600mm）的孔板流量計(jì)組成（為4用，2備）；6路孔板的上游各有一個(gè)90°彎頭，六個(gè)孔板與上游90°彎頭之間的直管段長度在18D至41D之間不等。6個(gè)90°彎頭的上游有6條平行管線接入一個(gè)共用的匯管。按現(xiàn)行的ISO－5167（1991）查表：在單個(gè)90°彎頭的下游，β＝0．6和零附加不確定度條件下，要求孔板上游的最小直管段l1＝18D，如按新修訂的ISO－5167和AGA3要求，l1分別應(yīng)為42D和44D。按ISO新標(biāo)準(zhǔn)要求在匯管之后應(yīng)使用流動(dòng)調(diào)整器；按照AGA3新標(biāo)準(zhǔn)，匯管應(yīng)屬于“任何其他阻流件配置”范疇，要求有145D的上游直管段。而現(xiàn)場實(shí)際最短的只有48D。
    2．孔板流量計(jì)維護(hù)的工作量太大，維護(hù)費(fèi)用昂貴，維修負(fù)責(zé)太重，運(yùn)行費(fèi)用高。
現(xiàn)場孔板流量計(jì)的每一條管線上都裝有三個(gè)不同壓差測(cè)量范圍的差壓變送器，一個(gè)靜壓變送器，一個(gè)密度計(jì)，一個(gè)流量計(jì)算機(jī)和一個(gè)測(cè)溫元件。此外在總管線上還裝有一臺(tái)共用的氣相色譜儀和一臺(tái)相對(duì)密度分析儀。原有孔板計(jì)量系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用相當(dāng)昂貴，例如，僅為校準(zhǔn)狀壓變送器每年需花費(fèi)掉600個(gè)人時(shí)。要求孔板每年檢查兩次，每年重校一次。要求每2個(gè)月檢查一次密度計(jì)，每年重校它一次。
    3．孔板流量計(jì)的壓損太大，直到新的壓縮裝置建成之前，此壓損問題在該站一直十分尖銳。
    應(yīng)該補(bǔ)充說明的是：在研究新標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的直管段長度時(shí)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的B&R公司對(duì)新規(guī)定曾有一定疑慮，為此他們決定請(qǐng)英國國家工程實(shí)驗(yàn)室（NEL）的專家，專門針對(duì)該站的管路配置和孔板 一計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行專題的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）研究。研究內(nèi)容包括：①過濾器出口的模型；②匯管入口處上游S型雙彎頭處的模型；③匯管入口處的模型；④包括90°彎頭在內(nèi)的6條測(cè)量管線中的模型；⑤測(cè)定孔板入口處的速度分布和旋轉(zhuǎn)流的角度；⑥法蘭取壓孔板的模型并估算流量計(jì)的誤差。由NEL所進(jìn)行的CFD專題研究工作證實(shí)：新修訂的ISO－5167標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的孔板上游直管段長度是確定需要的。
    為實(shí)現(xiàn)該站計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)代化的目標(biāo)，從技術(shù)上分析曾有兩種可行的方案：
    （1）可維持下去的方案，即孔板加整流器的方案。
    （2）采用其他代替技術(shù)的方案，同時(shí)應(yīng)滿足計(jì)量不確定度≤±1％；還能滿足在現(xiàn)有直管段條件下現(xiàn)有效計(jì)量，可減小維護(hù)工作量，處長使用壽命等要求。（即3臺(tái)多聲道超聲串聯(lián)3臺(tái)渦輪表的方案）。
    關(guān)于流動(dòng)調(diào)整器，ISO－5167和AGA3都建議對(duì)流動(dòng)調(diào)整器進(jìn)行“型式測(cè)試”，在標(biāo)準(zhǔn)推薦的四種流動(dòng)調(diào)整器中專利的Gallager和NOVA的50E型隔離式流動(dòng)調(diào)整器都已通過“型式測(cè)試”。因此，采用流動(dòng)調(diào)整器被認(rèn)為是一咱可以維持現(xiàn)狀的方案。然而，采用它將進(jìn)一步增大壓損，原來負(fù)擔(dān)沉重的維護(hù)仍居高不下。此外，為在6條24″（DN600）的大口徑管道上安裝大型流動(dòng)調(diào)整器所進(jìn)行的工作，包括切開管線，焊接法蘭，裝入整流器，清洗，吹掃，打壓，耐壓測(cè)試與試漏等一系列工作的工作量也是相當(dāng)巨大的。在進(jìn)行了基建原始投資與運(yùn)行的全程計(jì)算分析后，結(jié)果對(duì)（2）方案有利。
    現(xiàn)就方案（2）作進(jìn)一步的論證：
    超聲流量計(jì)或渦輪流量計(jì)都是可供選擇的流量計(jì)，而且兩者都只需選用3臺(tái)（2用，1務(wù)）就可以取代原來的6臺(tái)孔板流量計(jì)。由這兩種表都通過測(cè)速而測(cè)得氣體的體積，在它們的流量公式中沒有“密度”這個(gè)參數(shù)，并不像孔板流量計(jì)的工作公式中有“密度”這個(gè)參數(shù)，需要用密度計(jì)（或其他間接方法）測(cè)得工況下氣體的密度，才能算出氣體的體積流量，又由于孔板流量計(jì)流出系數(shù)的不確定在ISO標(biāo)準(zhǔn)中承認(rèn)已是±0．5％，影響因素多，因此采用超聲或渦輪能獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。采用用于貿(mào)易輸送的多聲道氣體超聲流量計(jì)作出表的有如下7條：
    （1）它已取得許多權(quán)威的計(jì)量部門認(rèn)證。上游僅要求10D，下游僅要求5D的直管段；
    （2）超聲流量計(jì)結(jié)實(shí)耐用，無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無過負(fù)載而被損壞的危險(xiǎn)；
    （3）量程比寬，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0．5％，無壓損；
    （4）在使用前可對(duì)該表進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)，檢定周期一般為4至5年；
    （5）超聲流量計(jì)的最大潛在優(yōu)勢(shì)是使維護(hù)的工作量大大減少；
    （6）在整個(gè)使用壽命中可以多次重校和重新認(rèn)證；
    （7）有較強(qiáng)大的自檢與自診斷功能；如實(shí)測(cè)的聲速（VOS）可隨時(shí)與計(jì)算得出的VOS進(jìn)行比較等。
在確定選用三臺(tái)多聲道氣體虧聲流量計(jì)作為該貿(mào)易計(jì)量站的主計(jì)量表后，由計(jì)量主管部門、買主、輸氣公司和賣主四方協(xié)商一致決定在每一臺(tái)超聲流量計(jì)的下游都分別串接上一臺(tái)氣體渦輪流量計(jì)作為對(duì)照檢查用表，以確保流量量值的可信度（有效性）。該渦輪表在上游2D條件下完全符合ISO－9951。
    按方案（2）改造的該站于2000年8月1日投運(yùn)，投運(yùn)半年后的實(shí)際效果證明已完全達(dá)到現(xiàn)代化改造的設(shè)計(jì)要求。由于不再有校準(zhǔn)差壓變送器的工作，也不再需要檢查孔板流量計(jì)或檢查密度計(jì)，使得維護(hù)的工作量大大減少�，F(xiàn)在有限的維護(hù)工作包括校準(zhǔn)6臺(tái)壓力變送器，3個(gè)測(cè)溫元件和對(duì)渦輪流量計(jì)的定期加油潤滑。此外，超聲流量計(jì)的自診斷功能大大增強(qiáng)了操作者對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行的信心。計(jì)算得出的VOS與實(shí)測(cè)得出的VOS符合 程度達(dá)到0.1%~0.2%（預(yù)定指標(biāo)為1％）。這使得該項(xiàng)目的有關(guān)部門對(duì)氣體超聲流量計(jì)、溫壓測(cè)量結(jié)果和在線氣體色譜儀都更有信心。這對(duì)進(jìn)一步的能量計(jì)量都是十分重要的。現(xiàn)在由于每條測(cè)量管線上都安裝了兩個(gè)壓力變送器，因此這兩臺(tái)表的誤差也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。由超聲和渦輪這兩種流量計(jì)在每一小時(shí)內(nèi)所測(cè)得以標(biāo)立方米為單位的體積總量，其一致程度在±0．3％以內(nèi)。（預(yù)定指標(biāo)為±0．5％）這樣，超聲和渦輪這兩種流量計(jì)就都展示了它們能在有干擾的流動(dòng)條件下仍保持滿意的計(jì)量特性�？装�、超聲、渦輪、渦街的性能對(duì)比如表4所示。

    三、結(jié)束語
    修訂中的ISO－5167規(guī)定在孔板上游使用更長的直管段，這對(duì)于已建成的或正在設(shè)計(jì)中的天然氣貿(mào)易計(jì)量站無疑會(huì)造成一定沖擊或帶來不同程序的影響。本文介紹了英國采用超聲流量計(jì)取代孔板實(shí)現(xiàn)天然氣貿(mào)易計(jì)量的成功經(jīng)驗(yàn)，這也是針對(duì)ISO標(biāo)準(zhǔn)的新要求而在技術(shù)上采取的一種應(yīng)對(duì)措施。其實(shí)，在我國也早已有這方面的成功實(shí)踐，位于北京通州區(qū)次渠鎮(zhèn)的北京東效天然氣計(jì)量站，原設(shè)計(jì)擬采用4路DN400孔板（3用，1備），后經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析決定采用DN400的兩臺(tái)三聲道氣體超聲流量計(jì)取代了4臺(tái)孔板流量計(jì)及相應(yīng)的管道與閥門，不僅使總投資節(jié)省了1／4，占地面積減少而且提高了該站的計(jì)量技術(shù)水平，自2000年12月正式以來，至今運(yùn)行平穩(wěn)正常。