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便攜式皮托管流量計用于天然氣計量巡檢的設計與應用

來源: 1、1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶;2、瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 作者:李 濤 發布日期:2020-06-05 09:46:38

 摘要:基于皮托管測流原理,采用方便現場操作的插入式測量方式,設計了一款集流量測量、流速測量、壓力測量、溫度測量、RFID定位識別、數據存儲查詢導出導入等功能于一體的手持式設備,用于天然氣終端管線或終端設備巡檢,經過實驗室測試及現場實測驗證,該儀器測量精度滿足現場巡檢需求。

 
1、引言
       天然氣是非常重要的清潔優質能源,已廣泛地用于國民生產和生活的各個領域。在天然氣產業的飛速發展過程中,天然氣能源的準確有效計量,是科學管理能源,實現節能降耗,提高經濟效益的重要手段。目前用于天然氣貿易計量的天然氣流量儀表均是按照國家標準規定,對照相應的周期進行檢定或校準,但絕大多數采取的是離線校準[1-7]。儀器在檢定或校準后被安裝到現場,在下一個檢定或校準時間到來之前,很少再進行檢定或校準,對于重要終端用戶會有相關人員開展定期巡檢,以確保用氣安全以及天然氣計量儀表的測量準確性。但在實際的巡檢過程中,由于沒有可靠的現場測試儀表,對于終端流量儀表的現場測量性能并不能進行有效判別,只能依靠經驗判斷,說服力低,易出現供需爭執[8]。
 
2便攜式皮托管流量計的設計需求與實現
2.1測量原理
       便攜式皮托管流量計基于皮托管測速原理而設計。皮托管作為流速測量的標準器具,廣泛應用在風洞、流量標準裝置中[9]。流體在皮托管迎風面產生一個高壓分布區,高壓分布區的壓力略高于管道的靜壓;在皮托管背風面產生一個低壓分布區,低壓分布區的壓力略低于管道的靜壓。迎風面取壓孔為高壓取壓孔,背風面取壓孔為低壓取壓孔,兩者之間的壓力差稱為差壓△P,由差壓傳感器進行測量[10-11]。△P的平方根與管道內流體流速成線性關系,結合實時采集的被測介質的溫度、壓力可以推算出流體的實時流速,測得管道內的平均流速就可以換算出管道的瞬時工況流量與標況流量[12]。其具體計算模型如下:
公式1
       式中:v—測點流速;K—修正系數;△P—差壓;ρ—介質密度。
       Q=vS(2)
       式中:Q—工況體積流量;S—被測處管道的截面積。
 
2.2需求設計
       結合天然氣計量應用特點、使用需求以及現場應用環境,便攜式皮托管流量計應具備如下特征:1)同時測量顯示管道內介質標況流量、工況流量、流速、壓力、溫度以及周圍環境大氣壓等多種參數,以滿足巡檢員了解多種參數的需求;2)測量下限盡可能低,以實現天然氣小流量的測量;3)非常好能夠支持雙向測量,并具有指示流向功能,以方便現場確認氣體流動方向;4)具有RFID識別、定位、防作弊功能,以方便管理人員對巡檢員的跟蹤管理;5)具有可以實時保存、刪除測量的數據的功能;6)具有無線數據傳輸功能,可實現無線連接上位機,進而對數據導入導出;7)不需要專門的測量工藝與裝備,現場適應能力強;8)測量準確度要高,流量測量精度不低于2級,壓力精度不低于0.5%,溫度測量誤差不低于0.5℃。
 
2.3設計實現
       對于便攜式皮托管流量計整機架構設計如圖1所示。整機由皮托管、差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、供電電路、無線收發電路、RFID識別電路、微處理器、存儲電路、顯示電路以及鍵盤等組成。
 
       當前皮托管按結構主要分為L型皮托管和S型皮托管,其中L型皮托管取壓孔較小,在粉塵較大的環境中容易堵塞,不適合應用在濕度大、粉塵大的管道中,而S型皮托管在保證測量準確性的同時還不易堵塞[13]。便攜式皮托管流量計選擇的皮托管為S型皮托管。為了提升儀器的現場適應能力強以及應用方便性,皮托管采用了一體化創新式的設計,在皮托管的內部頂端采用精加工技術集成了高精度溫度測量探頭,使得在流量測量時,能夠通過該溫度探頭迅速、準確感知管道內介質溫度,保持流量測量時的溫度實時準確補償;另外,在保證溫度套管、高低壓取壓管共存的同時,盡可能的將皮托管直徑控制到非常低(直徑約為10mm),以適應現場已有的測量孔或安裝孔,或者方便現場手動開孔。儀器的供電電路由本安電池組件、多級保護穩壓電路、充電控制電路等組成,用于給儀器內各功能模塊進行本安供電;電池組選用了符合GB/T22084.2-2008相關要求的鎳氫電池,單節容量為2100mAh,額定電壓為1.2V,共使用3節電池,電池間串入1.3Ω/18W的限流電阻(由2只0.65Ω/9W的康銅絲組成),用環氧樹脂澆封為一體,置于電池盒內構成本安電池組件。
 
       微處理器是儀器的核心單元,用于采集溫度傳感器、差壓傳感器、絕壓傳感器和環境大氣壓傳感器的數據并進行綜合運算并控制外圍各個功能模塊完成顯示、存儲、查詢、傳輸、感應等操作。顯示電路以及鍵盤是儀器的人機界面,顯示采用的是2.8寸TFT液晶屏,顯示清晰明了,層次分明,按鍵采用感應式電容觸摸按鍵,反映靈敏、使用壽命長。
 
       無線收發電路采用藍牙4.0技術,用與和上位機機軟件通訊,將存儲的測量數據上傳到PC機或者將設置的數據下放給儀器。RFID感應電路用來感應測點處的RFID識別卡,進而自動讀出測點的相關信息,如測點地址名稱、測點號、管道內徑等,并可生成巡檢路徑,防止作弊或漏檢。存儲電路采用EEPROM芯片,支持實時存儲與擦除,用來保存儀器實時測量的數據,可存儲近1000條數據。
整機架構圖
       采用皮托管測流速時,一般通過皮托管系數進行修正,屬于線性修正,優點是方法簡單,缺點是實際線性區范圍較小,測量范圍較大時,不能很好的修正。在跟設備設計過程中采用過零點的二次多項式修正,具體修正模型為:
       y=ax2+bx
式中x為實測數據,y為修正后的數據,a和b為修正系數。為了保證精度,將修正范圍分成了兩段,低流速段修正公司為:
       y=a1x2+b1x
高流速段修正公式為:
       y=a2x2+b2x
這種修正方式使得設備在整個測量范圍內數據都能較好的擬合。
 
3便攜式皮托管流量計的測量方式
       在圓管中,流體充分發展后,管道中間的層流速度分布比較均勻,但管壁處速度梯度較大,圖(2a)為理想的流速分布圖,當雷諾數較小時,弧度較大。由于現場管道安裝復雜(如有大量彎管、閥門等),很難達到理想的流速分布,如圖2(b)所示。皮托管流量計屬于插入式點式測量設備,其插入深度的不同,則測量結果也會存在差異,為了能夠準確的測量出管道內的流量,理想情況下,皮托管插入管道內的測點出對應的流速剛好是管道內的平均流速,則其對應的流量就是管道內的準確流量。但在實際應用中管道內的平均流速點是很難確定的。故為了盡可能的確保測量結果更靠近實際管道流量,在現場實際應用中,主要采用合理的管內測點選取+多點均衡測量求平均流速的方式[14]。
管道流體流速分布圖
       常用的取點方法為等面積分環法和對數線性法,等面積分環法比較好理解,如圖3所示,將圓分成多個等面積的圓環,圓環中的點代表了這一環的平均流速,然后將所有點求平均值。可以看出,取點較多時,精度較高,特別是對于紊流。皮托管流量計是按照對數線性法取點,該方法在等面積分環法的基礎上增加了梯度考慮,取點更合理,現場非常多可以選取管道直徑上的10個點進行測量并取平均。
等面積分環法取點示意圖
4便攜式皮托管流量計的測試與應用
       在將便攜式皮托管流量計應用到現場以前,為了保證儀器的測量準確性,首先先將儀器在流量標準實驗室進行了校準與測試。實驗裝置的標準表為音速噴嘴流量計,裝置整體不確定度為0.3%[15]。儀器采用1點測量法的插入深度進行安裝,實驗室測試如圖4所示圖片,測量數據如表1和表2所示。
DN100流量標準裝置測試現場圖流量測量數據
 
       從實驗室測試結果可以看出,在標況流速測量為(0.5~20)m/s內范圍,精度等級可以達到2級;絕對壓力測量在(60~150)kPa范圍內,測量誤差高于0.5%;溫度測量在(-10~50)℃范圍內,測量誤差不超過0.5℃。另外,為了驗證便攜式皮托管流量計在現場的測量性能,專門選擇了烏魯木齊市多個剛剛進行了流量計檢定的典型天然氣用戶(2個酒店和1個單位食堂)作為試點,進行了試用測試。
壓力和溫度測量數據比對測量數據
       皮托管流量計通過現場天然氣管道機械式壓力表的檢測孔進行測試。直管段足夠長的測試點,采用的是一點測量法,直管段較短的測點采用的是多點測量法。現場測量安裝過程及示意圖如圖5所示,測試結果如表3所示。
現場測量示意圖
       該測量結果滿足測流員日常巡檢的測量需求,能夠幫助他們排查、分辨在線式天然氣測量儀表是否發生了故障或者計量出現巨大偏差的情況。
 
       從實驗室測試結果與現場測試結果設備來看,該儀器測量結果可以滿足日常巡查維護天然氣計量儀表的需求,作為在線比對儀器,幫助工作人員判斷計量儀表的運行情況,有效防止計量結果出現大的偏差。5結束語便攜式皮托管流量計是基于現場需求而研制的一種便攜手持式流量計。該設備體積小巧,攜帶方便,能夠通過管道上的一個10mm的孔,直接測量出管道內的壓力、溫度、流量等參數。可作為在線比對校準儀器,在天然氣計量儀表巡查維護中幫助工作人員判斷計量儀表的運行情況,有效防止計量結果出現大的偏差。
 

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