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          便携式皮托管流量计用于天然气计量巡检的设计与应用

          来源: 1、1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆;2、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 作者:李 涛 发布日期:2020-06-05 09:46:38

           摘要:基于皮托管测流原理,采用方便现场操作的插入式测量方式,设计了一款集流量测量、流速测量、压力测量、温度测量、RFID定位识别、数据存储查询导出导入等功能于一体的手持式设备,用于天然气终端管线或终端设备巡检,经过实验室测试及现场实测验证,该仪器测量精度满足现场巡检需求。

           
          1、引言
                 天然气是非常重要的清洁优质能源,已广泛地用于国民生产和生活的各个领域。在天然气产业的飞速发展过程中,天然气能源的准确有效计量,是科学管理能源,实现节能降耗,提高经济效益的重要手段。目前用于天然气贸易计量的天然气流量仪表均是按照国家标准规定,对照相应的周期进行检定或校准,但绝大多数采取的是离线校准[1-7]。仪器在检定或校准后被安装到现场,在下一个检定或校准时间到来之前,很少再进行检定或校准,对于重要终端用户会有相关人员开展定期巡检,以确保用气安全以及天然气计量仪表的测量准确性。但在实际的巡检过程中,由于没有可靠的现场测试仪表,对于终端流量仪表的现场测量性能并不能进行有效判别,只能依靠经验判断,说服力低,易出现供需争执[8]。
           
          2便携式皮托管流量计的设计需求与实现
          2.1测量原理
                 便携式皮托管流量计基于皮托管测速原理而设计。皮托管作为流速测量的标准器具,广泛应用在风洞、流量标准装置中[9]。流体在皮托管迎风面产生一个高压分布区,高压分布区的压力略高于管道的静压;在皮托管背风面产生一个低压分布区,低压分布区的压力略低于管道的静压。迎风面取压孔为高压取压孔,背风面取压孔为低压取压孔,两者之间的压力差称为差压△P,由差压传感器进行测量[10-11]。△P的平方根与管道内流体流速成线性关系,结合实时采集的被测介质的温度、压力可以推算出流体的实时流速,测得管道内的平均流速就可以换算出管道的瞬时工况流量与标况流量[12]。其具体计算模型如下:
          公式1
                 式中:v—测点流速;K—修正系数;△P—差压;ρ—介质密度。
                 Q=vS(2)
                 式中:Q—工况体积流量;S—被测处管道的截面积。
           
          2.2需求设计
                 结合天然气计量应用特点、使用需求以及现场应用环境,便携式皮托管流量计应具备如下特征:1)同时测量显示管道内介质标况流量、工况流量、流速、压力、温度以及周围环境大气压等多种参数,以满足巡检员了解多种参数的需求;2)测量下限尽可能低,以实现天然气小流量的测量;3)非常好能够支持双向测量,并具有指示流向功能,以方便现场确认气体流动方向;4)具有RFID识别、定位、防作弊功能,以方便管理人员对巡检员的跟踪管理;5)具有可以实时保存、删除测量的数据的功能;6)具有无线数据传输功能,可实现无线连接上位机,进而对数据导入导出;7)不需要专门的测量工艺与装备,现场适应能力强;8)测量准确度要高,流量测量精度不低于2级,压力精度不低于0.5%,温度测量误差不低于0.5℃。
           
          2.3设计实现
                 对于便携式皮托管流量计整机架构设计如图1所示。整机由皮托管、差压传感器、压力传感器、温度传感器、供电电路、无线收发电路、RFID识别电路、微处理器、存储电路、显示电路以及键盘等组成。
           
                 当前皮托管按结构主要分为L型皮托管和S型皮托管,其中L型皮托管取压孔较小,在粉尘较大的环境中容易堵塞,不适合应用在湿度大、粉尘大的管道中,而S型皮托管在保证测量准确性的同时还不易堵塞[13]。便携式皮托管流量计选择的皮托管为S型皮托管。为了提升仪器的现场适应能力强以及应用方便性,皮托管采用了一体化创新式的设计,在皮托管的内部顶端采用精加工技术集成了高精度温度测量探头,使得在流量测量时,能够通过该温度探头迅速、准确感知管道内介质温度,保持流量测量时的温度实时准确补偿;另外,在保证温度套管、高低压取压管共存的同时,尽可能的将皮托管直径控制到非常低(直径约为10mm),以适应现场已有的测量孔或安装孔,或者方便现场手动开孔。仪器的供电电路由本安电池组件、多级保护稳压电路、充电控制电路等组成,用于给仪器内各功能模块进行本安供电;电池组选用了符合GB/T22084.2-2008相关要求的镍氢电池,单节容量为2100mAh,额定电压为1.2V,共使用3节电池,电池间串入1.3Ω/18W的限流电阻(由2只0.65Ω/9W的康铜丝组成),用环氧树脂浇封为一体,置于电池盒内构成本安电池组件。
           
                 微处理器是仪器的核心单元,用于采集温度传感器、差压传感器、绝压传感器和环境大气压传感器的数据并进行综合运算并控制外围各个功能模块完成显示、存储、查询、传输、感应等操作。显示电路以及键盘是仪器的人机界面,显示采用的是2.8寸TFT液晶屏,显示清晰明了,层次分明,按键采用感应式电容触摸按键,反映灵敏、使用寿命长。
           
                 无线收发电路采用蓝牙4.0技术,用与和上位机机软件通讯,将存储的测量数据上传到PC机或者将设置的数据下放给仪器。RFID感应电路用来感应测点处的RFID识别卡,进而自动读出测点的相关信息,如测点地址名称、测点号、管道内径等,并可生成巡检路径,防止作弊或漏检。存储电路采用EEPROM芯片,支持实时存储与擦除,用来保存仪器实时测量的数据,可存储近1000条数据。
          整机架构图
                 采用皮托管测流速时,一般通过皮托管系数进行修正,属于线性修正,优点是方法简单,缺点是实际线性区范围较小,测量范围较大时,不能很好的修正。在跟设备设计过程中采用过零点的二次多项式修正,具体修正模型为:
                 y=ax2+bx
          式中x为实测数据,y为修正后的数据,a和b为修正系数。为了保证精度,将修正范围分成了两段,低流速段修正公司为:
                 y=a1x2+b1x
          高流速段修正公式为:
                 y=a2x2+b2x
          这种修正方式使得设备在整个测量范围内数据都能较好的拟合。
           
          3便携式皮托管流量计的测量方式
                 在圆管中,流体充分发展后,管道中间的层流速度分布比较均匀,但管壁处速度梯度较大,图(2a)为理想的流速分布图,当雷诺数较小时,弧度较大。由于现场管道安装复杂(如有大量弯管、阀门等),很难达到理想的流速分布,如图2(b)所示。皮托管流量计属于插入式点式测量设备,其插入深度的不同,则测量结果也会存在差异,为了能够准确的测量出管道内的流量,理想情况下,皮托管插入管道内的测点出对应的流速刚好是管道内的平均流速,则其对应的流量就是管道内的准确流量。但在实际应用中管道内的平均流速点是很难确定的。故为了尽可能的确保测量结果更靠近实际管道流量,在现场实际应用中,主要采用合理的管内测点选取+多点均衡测量求平均流速的方式[14]。
          管道流体流速分布图
                 常用的取点方法为等面积分环法和对数线性法,等面积分环法比较好理解,如图3所示,将圆分成多个等面积的圆环,圆环中的点代表了这一环的平均流速,然后将所有点求平均值。可以看出,取点较多时,精度较高,特别是对于紊流。皮托管流量计是按照对数线性法取点,该方法在等面积分环法的基础上增加了梯度考虑,取点更合理,现场非常多可以选取管道直径上的10个点进行测量并取平均。
          等面积分环法取点示意图
          4便携式皮托管流量计的测试与应用
                 在将便携式皮托管流量计应用到现场以前,为了保证仪器的测量准确性,首先先将仪器在流量标准实验室进行了校准与测试。实验装置的标准表为音速喷嘴流量计,装置整体不确定度为0.3%[15]。仪器采用1点测量法的插入深度进行安装,实验室测试如图4所示图片,测量数据如表1和表2所示。
          DN100流量标准装置测试现场图流量测量数据
           
                 从实验室测试结果可以看出,在标况流速测量为(0.5~20)m/s内范围,精度等级可以达到2级;绝对压力测量在(60~150)kPa范围内,测量误差高于0.5%;温度测量在(-10~50)℃范围内,测量误差不超过0.5℃。另外,为了验证便携式皮托管流量计在现场的测量性能,专门选择了乌鲁木齐市多个刚刚进行了流量计检定的典型天然气用户(2个酒店和1个单位食堂)作为试点,进行了试用测试。
          压力和温度测量数据比对测量数据
                 皮托管流量计通过现场天然气管道机械式压力表的检测孔进行测试。直管段足够长的测试点,采用的是一点测量法,直管段较短的测点采用的是多点测量法。现场测量安装过程及示意图如图5所示,测试结果如表3所示。
          现场测量示意图
                 该测量结果满足测流员日常巡检的测量需求,能够帮助他们排查、分辨在线式天然气测量仪表是否发生了故障或者计量出现巨大偏差的情况。
           
                 从实验室测试结果与现场测试结果设备来看,该仪器测量结果可以满足日常巡查维护天然气计量仪表的需求,作为在线比对仪器,帮助工作人员判断计量仪表的运行情况,有效防止计量结果出现大的偏差。5结束语便携式皮托管流量计是基于现场需求而研制的一种便携手持式流量计。该设备体积小巧,携带方便,能够通过管道上的一个10mm的孔,直接测量出管道内的压力、温度、流量等参数。可作为在线比对校准仪器,在天然气计量仪表巡查维护中帮助工作人员判断计量仪表的运行情况,有效防止计量结果出现大的偏差。
           

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