限流孔板在民用小流量计量中的应用

[摘 要] 民用天然气小流量计量，既要流量计选型准确，满足民用气用气压力、流量的要求，又要防止下游私开口造成漏计的隐患。基于民用气计量的特点以及管理难度，本文着重介绍了限流孔板的工作原理、计算方法等，同时分析了限流孔板在民用气计量应用的可行性。

  民用天然气有其自身的用气特点，如用气量较小，但日间波动较大，用气压力较低等，故民用气计量多选用量程比宽安装方便的智能流量计进行计量。另一方面，因智能流量计在超量程后计量值失真（计量偏小）且多安装在阀室等无人值守点，亦存在下游私自开口隐患。如何在选定流量计口径后，在无人值守情况下防止下游用户流量超过仪表量程范围且能满足下游用户供气压力的问题，一般采用调压阀降压，采用数据远传来监控气量变化，这不仅提高了经济成本，也增加了工作强度。若采用限流孔板，即一定工况条件下，在流量计下游安装限流孔板，可以达到降压和限流的双重目的。
 
1、限流孔板的设置：
 限流孔板是非标孔板的一种，既可以作为流量测量元件用来测量流量，也可作为节流元件用于限定流量和降低压力。
 
1.1、工作原理：
 在圆形截面管安装一块端面与管轴线相垂直并带有圆形穿孔的薄板，当天然气流过圆孔时，产生的压差与流量成正比，但当压差超过某一数值（称为临界压差）时，其流速达到音速，此时，无论压差如何增加，流经孔板的流量（质量流量）将维持在一定数值而不再增加。限流孔板就是根据这一原理来限定流体的流量和降低压力的。

1.2、工艺计算：
  限流孔板可按开孔数分为多孔板和单孔板，按板数分为单板和多板。根据SLDI 233A25-98 
《管路限流孔板设置》的规定：管道公称直径小于或等于150 mm的管路，通常采用单孔孔板。我处民用气计量均属此范围，故仅对单孔单板的限流孔板进行分析。
 
1.2.1、理论基础：
 气体的质量流量公式为m=ρ•u•A，其中ρ表示气体密度，u表示气体速度，A表示限流孔板圆孔直径。根据工程流体力学相关知识，用滞止温度T0、滞止压强P₀及速度系数λ来表示ρ和u，则：

  根据气体动力学函数随速度系数的变化规律（见图1），可知λ=1时，q（λ）=1，为***大，此时马赫数M=1，气体为音速流；又根据工程流体力学中对拉瓦尔喷管管道截面面积变化与马赫数的关系（见图2），可知气流的压强、密度的变化只取决于马赫数M，即气流密度的下降与速度的增加相互抵消^[1]。故当气流速度为音速时，其流量达到***大值mmax。

1.2.2、计算方法：
 在HG/T 20570.15-1995《管路限流孔板的设置》中，给出了限流孔板在气体中的计算公式：W = 4 3 . 7 8 • C • d 0 2 • P ₁ •

  式中：W -流体的质量流量，kg/h；C -孔板的流量系数，（可查取）；d0 -孔板孔径，m；P₁-孔板前压力，Pa；P₂ -孔板后压力或临界限流压力，取大值，Pa；M -分子量；Z -压缩系数，（可查取）；T -孔板前流体温度，K；K -绝热系数。
 由上式可知，通过需要得到的流量、气体物性以及孔板前后的压力、温度等条件，可确定限流孔板的孔径。反之，也可根据其他条件来确定限流孔板后的压力。
 需注意的是，要使气体流量限定在某一要求的数值，必须满足P₂/P₁≤γc（临界流率压力比）=

，其γc既可查取也可计算。否则，计算的d0无效，需改变压强和管道管径重新计算合格为止。当满足要求时，气体属于临界流动，W仅与P₁有关。
 
HG/T 20570.15-1995未给出绝热系数K的计算公式，其可由下式计算^[2]：

  式中：K -混合气体（共n个组分）的绝热系数；C_{pi -i}组分的定压比热容，kJ/(kg•k)；M_{i -i}组分的摩尔质量，kg/kmol；X_{i -i}组分的体积分数；K_{i -i}组分的绝热系数。
也可用下面的经验公式计算K值^[3]：

经验公式计算K值

式中符号含义同上式。
 比较这两个绝热系数计算公式，后式未涉及定压比热容和摩尔质量，计算相对简单。经相关论证，其计算误差在0.1%。
 
2、结论：
 在选定适合当前工况条件的智能流量计后，为防止下游用气量增大致使超流量计范围而漏计少计的隐患，可在流量计下游直管段外加装限流孔板。通过计算，选用适合孔径的限流孔板，不仅可限定流量（减少无人值守点瞬时超高限流量，防下游私开口等隐患），也可降低下游的压力（孔板后压力不小于孔板前压力的55%，否则应设置多板），因此在输气管网小流量计量控制方面具有理论和实践的可行性。