孔板計量標準的新研究

概  述

    目前，在上仍無統一的標準用于天然氣流量計量，利用標準孔板流量計測量流體流量存在兩個平行標準ISO 5167-1、API 2530 （AGA No.3）。由于通用和專門用于測量天然氣存在一定差異，而給我國制定天然氣孔板計量標準帶來一定困難。但標準孔板流量計是國內外研究的zui早、zui細、試驗數據zui多、使用經驗zui豐富、標準化程度zui高的計量手段。因此近二十年，歐美的流量計量專家以學術研究方式進行了大量試驗研究工作，積累了大量試驗數據，建立了有16376個試驗數據點的API+EEC數據庫，并逐步取得共同認識，統一的流出系數計算采用API+NEL公式。1998年ISO 5167-1標準修訂補充件已頒布，它主要將流出系數計算公式用API+NEL公式替代原StoIz公式，并根據對安裝條件及整流器的進一步研究，于1999年3月出版了CD文件，這對GB/T2624-93、AGA No.3報告均有重要影響。API 2530（AGA No.3）于2000年8月發布了新版本，安裝條件有較大變化，兩個標準均考慮了近20年來的大量數據，流出系數計算公式采用API+NEL公式形式。上兩個標準將逐漸趨于統一，主要技術要求的文本也將發至各成員國，這次修訂對國內外流量計量有著較大影響，也為我國制定天然氣孔板流量計量的國家標準提供了基礎條件。

    為加快我國天然氣計量技術與慣例接軌，跟上標準的變化，充分利用*標準的成果與經驗，針對上近幾年來在大規模試驗基礎上上天然氣孔板流量計量標準中流出系數及安裝條件和直管段長度要求的變化，本文對此進行了分析研究，這對我國天然氣計量標準盡快與*標準接軌有著十分重要的意義。

                                流出系數的變化分析

    ISO 5167、AGA No.3、SY/T6143標準是國內外廣泛應用的天然氣流量計量標準，GB/T2624-93等效采用了標準ISO5167-1。經過十余年的試驗建立起嶄新的數據庫，在此數據庫的基礎上用數理統計方法回歸出新的流出系數公式——Reader.Harries.GaIIagher公式（RG公式90版），而后API聯合NEL對數據庫中的數據重新處理，推出API+NEL公式（RG公式98版）。2000年8月頒布的AGA No.3流出系數計算公式采用90版RG公式，1999年ISO/CD5167文件流出系數計算公式采用的是98版RG公式。90版、98版RG公式和StoIz公式的表達式如下：

1.98版RG公式的表達式如下：

（1）

 當D<71.12mm（2.8）時，式（1）中的C值還要加上式（2）的值。

                          （2）

                                             （3）

                                        （4）

對于角接取壓：L1=L2=0；對于法蘭取壓：L1=L2=25.4/D ；對于D和D/2取壓：L1=1，L2=0.47。

公式（1）為在大規模試驗數據庫的基礎上用數理統計方法回歸出的新的流出系數公式，即98版RG公式，該公式的特點：

a、具有嚴格的物理基礎，斜率項物理意義更明確，并被分為兩個部分；

b、符合程度甚佳，數據的標準偏差比其它公式小；

c、公式與現行的API的RG公式僅在常數及冪上略有不同，因此可保證上孔板流出系數公式的一致性；

d、與其它公式（如StoIz公式）比較，同樣具有基本部分、取壓部分和管道雷諾數相關性部分，并且是由實驗研究的1萬多個由水、油、氣實驗數據點擬合的。較StoIz公式更*、更準確，更具代表性。

2.90版RG與98版RG公式只是某些參數有差別，表達式如下：

（5）

當D<71.12mm（2.8）時，式（5）中的C值還要加上式（6）的值。

                                  （6）

3.StoIz公式表達式如下：

（7）

對于法蘭取壓，當0.0900L1≥0.0390時，0.0900L1取0.0390值。

通過對三個流出系數公式的計算（省略），得出如下結論：

1.98板RG公式充分考慮了小口徑管段的計量，以DN71.12為分界點，擬合過后增加了一項小口徑修正項即式（2），而StoIz公式對此未予考慮故計算的流出系數C均偏小，因此98板RG公式更加符合實際情況。

2. 對于角接取壓，當管徑小于DN71.12時，流出系數C在小β比低雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C偏小較大，達1.63%；常用段偏小在0.60%以下；當大β比高雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C有的偏小，有的偏大，正負交錯在千分級內；

3. 對于角接取壓，當管徑大于DN71.12時，流出系數C在小β比低雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C偏小較小，極限點為0.78%；常用段偏大偏小在千分級內，zui大值是偏大0.34%；在大β比高雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C有的偏小，有的偏大，為正負交錯，zui大值是偏大0.61%；

4. 對于法蘭取壓，當管徑小于DN71.12時，流出系數C在小β比時StoIz公式計算的流出系數C偏小，極限點為1.50%；在常用段β=0.5時，在整個雷諾數范圍內偏小0.03%-0.39%以下；當大β比高雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C偏大，極限點為1.07%；

5. 對于法蘭取壓 ，當管徑大于DN71.12時，流出系數C在小β比低雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C偏小0.3%左右；常用段偏大偏小在千分級內，總的來說偏大0.1%；在大β比高雷諾數時StoIz公式計算的流出系數C則偏大1.10%左右。

 安裝條件和直管段長度要求的變化和要求

    *，正是由于歷史的原因，美國和歐洲各國標準規定的安裝條件有較大差別，導致80年代美國對ISO 5167持否定態度。由于安裝條件是保證節流式差壓流量計現場測量精度的關鍵因素，如何科學地規定此條件必須進行大量的試驗才能確定，正是API和EEC近十幾年的試驗才使這個問題獲得解決，目前就大量的試驗結果表明，它將導致標準孔板安裝要求的*修改。

    該項研究雖然涉及到標準孔板本身的技術及各種類型流動調整器（整流器）的整流效果內容，但是這些試驗成果體現在AGA No.3和ISO/CD 5167標準中主要是沒有整流器的安裝要求（見表1與表3）和帶19管管束式整流器的安裝要求（見表2與表4）是很不同的。ISO/CD 5167的安裝要求（表3及表4）與表1、表2基本相同，但對于帶19管管束式整流器的安裝規定由17D≤A≤29D變為18D≤A≤30D時的數值。另外ISO/CD 5167有較詳細的阻力件型式，而且對應的zui短直管段長度要求略有不同。

表1：AGA No.3標準孔板（不配整流器）上下游直管段長度（以管徑D的倍數表示）