浅谈煤气计量的国家标准与应用
国家技术监督局于2000年10月17日发布的CB/T1821.1-2000《城镇人工煤气主管道流量测量第1部分：采用标准孔板节流装置的方法》，并决定于2001年5月1日起执行。该标准的发布实施，为煤气计量提供了可靠的依据。
1.城镇人工煤气
国标GB/T18215规定了城镇人工煤气主管道流量测量中以多管并联标准孔板节流装置（包括可换孔板节流装置）为原理的差压式流量计的流量计算、测量系统的构成、技术要求与安装要求、人工煤气的物理性质及计算公式以及测量系统的检验规则和流量测量的不确定度等内容。标准中规定的流量测量方法和系统适用于圆管的人工煤气的流量测量。
2.引用标准
在国标GB/T18215中主要引用了GB/T2624-1993流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量、GB/T12207-1990城市燃气相对密度测定方法、GB/T13612-1992人工煤气、JB/T2274-1991流量显示仪表和JJG640-94差压式流量计检定规程等标准。
3.人工煤气的测量原理
国标GB/T18215的测量原理：测量管道由和主管道串联的多根并联管道组成，充满主管道的煤气经汇管分别流入安装在各并联的测量管道内的节流装置，流束在孔板处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力降低，于是在孔板前后产生了差压，流速越高，产生的差压就越大。标准中规定的测量方法是通过个条并联管上的节流装置来测量主管道中人工煤气的流量。为便于清洗、检修、更换和检定，应优先采用可换孔板节流装置。
4 国标GB/T18215的主要计算
主管道的总的质量流量qm可按公式(1)通过各条并联管上节流装置测得的各分流量qmi计算获得。
 (1)
其中qmi由公式： (2)
计算体积流量qv用公式： （3）
式中qm为总的质量流量kg/s；qmi为各并联管流量，kg/s；c为流出系数（无量纲）；β为直径比d/D，无量纲；ε1i为并联支管孔板前可膨胀系数，无量纲；di为支管内径，m；△pi为并联支管压差，Pa;ρli为并联支管的孔板前密度kg/m3，ρ1总管孔板前密度kg/m3。
当计算的结果用体积流量表示时，应将其换算到标准状态（一般取20℃,101.325kPa）或约定的参比状态下的值。
标准状态下体积流量  （4）
煤气流量的各种状态要进行换算：
湿煤气体积流量的换算公式为： （5）
式中qv1和qv2分别为状态“1”和状态“2”，湿煤气体积流量，m3/h；p1,p2为状态“1”和状态“2”的绝对压力，Pa；T1,T2为状态“1”和“2”的热力学温度，K；Z1,Z2,分别为状态“1”“2”的煤气压缩系数，无量纲；φ1，φ2分别为状态“1”“2”的煤气相对湿度，％；ps1max,ps2max分别为状态“1”“2”的水蒸气最大可能压力,Pa。
工作状态下干煤气体积流量换算到20℃，101.321kPa标准状态时的体积流量为：
 （6）
密度及其计算公式 ρgN为湿煤气的密度可以在孔板前用检测密度的仪器测定（参见GB/T12207），也可根据孔板前的流体组分、工作状态(p,T)计算或由表中查得。
标准状态下湿煤气的密度  （7）
式中：ρgN为湿煤气在标准状态下干部分的密度；ρsN为湿煤气在标准状态下湿部分的密度。
煤气在标准状态下干部分的密度等于  （8）
式中:xi为煤气各组分的体积百分数 %。
工作状态下湿煤气的密度ρ1  （9）
式中 ρg1为湿煤气在标准状态下干部分的密度；ρs1为湿煤气在标准状态下湿部分的密度
 （10）
 （11）
式中Z为气体压缩系数；Ps1max为工作状态下，饱和水蒸气压力；ρs1max为工作状态下，饱和水蒸气密度。
由于煤气在净化过程中都经过洗涤，因此一般水分含量都呈饱和状态，相对湿度为100%。在工艺末端设置增压风机，或在煤气输配过程中经增压后，水蒸气呈不饱和状态，随着温压状态的变化，煤气的湿度亦发生变化，因此在计算煤气密度时应根据具体情况确定湿度的数值。相对湿度φ为湿煤气中实际所包含的水蒸气量与同温度下最大可能水蒸气量的比值。
 （15）
不同状态φ的换算  （16）
若由公式求出的φ>1时，说明在工作状态下的煤气已被水蒸气饱和。而且部分水蒸气已冷凝，这时取 φ=1。
粘度主要用于ReD计算，在常用工作压力与工作温度下变化很小，在煤气计量中可用80%左右组分的粘度来计算μm。计算气体可膨胀性系数ε值时，需要知道被测气体的等熵指数K，只有气体服从理想气体定律时，K才等于比热容比，即质量定压热容与质量定容热的比值。煤气的等熵指数不服从叠加规律，但其质量定压热容和质量定容热服从叠加规律，可按叠加规律求的，然后再求出煤气的比热容比。等熵指数对流量计算不很敏感，尤其是对工作于低压状态的煤气，可以用比热容比近计算等熵指数。在煤气计量中，Cp,K用80%左右的组分来计算。
5 测量系统的构成和技术要求
测量系统是由多管并联节流装置及其测量管道与管件、差压信号管路、差压变送器、温度变送器、压力变送器及流量显示装置构成，见图1。
测量的煤气应是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的和单相（或可以认为是单相）的流体；测量的煤气质量应符合国标规定；进入测量系统的煤气，流动应稳定或随时间缓慢变化。节流装置离压送机应足够远，以尽可能满足稳流的要求。采用可换孔板节流装置或多管并联形式在不停气的条件下，可以对节流装置进行清洗、检修、更换和检定。清洗周期根据煤气脏污程度而定。测量系统的准确度等级按供需双方的要求，用于贸易结算的测量系统准确度一般为2.5级。
系统仪表一般包括差压变送器、压力变送器、温度变送器、检测密度的仪器、流量显示装置等。仪表应能实现本标准规定的计算公式（软件）及准确度等要求；仪表的防爆性能应符合防爆场所的防爆等级的要求；流量显示装置应具有设定计量人工煤气所需要数学模型的各种参数。
6 测量系统的安装要求
节流装置一般应设置在主管道输气管道上方，由汇管与其连接。节流装置采用多管并联形式分为双管（Y型）、三管及四管并联三种。节流装置及其测量管道内表面应无明显的凹凸坑及其它异物。流体静压应在上游取压口平面处取出与差压取压口分开；流体温度应在下游靠近的主管道处取出。
测量管与节流装置在组装前应检验合格，待管道清洗后再装配。装配和夹紧的方法均应保证孔板及取压装置安装在正确的位置上保持不变，其密封垫圈不应有任何部位突入管道内。测量管可以是纵向焊接管，但内部焊接缝应该与管子的轴线平行，焊缝所在的管轴平面与任一取压口轴线所在管轴平面之间的夹角应大于30°。在测量系统前应有排水系统及防冻措施。测量系统的密封性应在1～1.1倍公称压力下，持续时间不少于24h进行密封性实验，压力降小于1%。应保证节流装置的输出差压信号无泄漏、无堵塞现象，能够准确无误地传送给差压变送器。应防止冷凝水进入导压管。正负导压管应尽量靠近，导压管应垂直或倾斜铺设，导压管内径一般为Φ10～ Φ25mm，长度不超过16m。安装节流装置时应正确选择取压口的位置。
7 石家庄焦化厂三管并联可换孔板节流装置实例
石家庄焦化厂送石家庄市热力公司煤气总管流量采用的是三条Φ600mm并联管道，孔板采用的是可换孔板节流装置。其中日常为两管运行，余一根管作为备用，其备用管可作为在线校验。
日常运行的1＃和3＃两管数据非常接近，可以达到非常直观的检验目的，应该说三管并行的安装模式是最好的。我们的差压取压采用的是用透明的尼龙管，非常直观的观察到煤气可能的泄露情况；差压变送器采用倒置的方法，使冷凝水流不到取压管路中，效果非常明显，从1995年投入使用以来一直运行良好。我们的煤气密度采用的是GB/T12207国标中的直接测量的方法，流量补偿采用的是湿煤气补偿的方法，需要说明的是湿煤气不是理想气体。智能仪表的采用使复杂的计算得到了实现。我们在参数取值上采用的是在市技术监督局的领导下，供需双方共同协商，并制定了有关数据失准进行数据修正的管理文件。计量数据做到了公平、公正、透明，从此避免了计量纠纷，达到了供需双方满意。我厂这套系统的成功运行也使国标的起草有了一个非常成功的范例，为国标的出台做出了贡献。 |