超聲波流量計(jì)是流量計(jì)中的一種，在近代近代發(fā)展中，電磁流量計(jì)、明渠流量計(jì)、超聲流量計(jì)都是用著比較廣泛的計(jì)量?jī)x器，而超聲波流量計(jì)算的是一種新型測(cè)量流量的儀表，可以測(cè)量高黏度液體、非導(dǎo)電性液體或氣體的流量，其測(cè)量流速的原理是：傳遞的聲訊號(hào)穿過(guò)管道內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)時(shí)，其傳遞速度受介質(zhì)流動(dòng)速度的影響1。20世紀(jì)90年代后期，超聲波流量計(jì)開(kāi)始在大口徑天然氣管道上大量應(yīng)用2；同時(shí)，因超聲波流量計(jì)引起的計(jì)量糾紛也不斷出現(xiàn)。在2006年初的一次計(jì)量糾紛中，多計(jì)天然氣達(dá)1035萬(wàn)m3。引起糾紛的流量計(jì)量系統(tǒng)為DANIEL公司生產(chǎn)的采用S600流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和運(yùn)算的四聲道超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)。 在糾紛的處理過(guò)程中，經(jīng)檢查鉑電阻、壓力變送器、超聲波流量計(jì)等均不存在問(wèn)題，而流量計(jì)算機(jī)面板顯示氣體流速、工況流量、標(biāo)準(zhǔn)體積流量與軟件計(jì)算流量均不對(duì)應(yīng)。懷疑是在流量計(jì)算機(jī)上讀數(shù)不同步或流量在流量計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行過(guò)修正造成計(jì)算數(shù)據(jù)偏差。于是采用軟件讀數(shù)的方法進(jìn)行采數(shù)，計(jì)算流量與流量計(jì)算機(jī)顯示流量基本對(duì)應(yīng)。 根據(jù)以上信息，檢查了流量計(jì)算機(jī)的組態(tài)參數(shù)，逐項(xiàng)核對(duì)流量計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)DANIEL流量計(jì)算機(jī)中對(duì)體積流量進(jìn)行了修正，其中壓力修正參數(shù)涉及到楊氏模量參數(shù)。超聲波流量計(jì)中楊氏模量參數(shù)設(shè)置為30kPa，而流量計(jì)算機(jī)中設(shè)置為1930600bar，由此可見(jiàn)，從超聲波流量計(jì)投用后，計(jì)量數(shù)據(jù)一直存在很大的偏差。 1 原因分析 1.1 計(jì)算機(jī)軟件檢查 在事件處理過(guò)程中，對(duì)流量計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件和整個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 在S600流量計(jì)算機(jī)中，存在著兩種文件： 1)Vixworks(相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)中的Windows系統(tǒng))是組態(tài)軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，計(jì)算等各種功能模塊存在其中； 2)組態(tài)軟件(相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的各種軟件)是在Vixworks之上運(yùn)行的，針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)儀表調(diào)用不同計(jì)算模塊的運(yùn)行軟件。 在超聲流量計(jì)與S600流量計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，流量計(jì)算機(jī)對(duì)流量的計(jì)算模塊組中，包含超聲流量計(jì)表體壓力膨脹系數(shù)的修正計(jì)算。而楊氏模量則參與該壓力膨脹系數(shù)的修正計(jì)算。Vixworks中有相關(guān)的模塊，在組態(tài)軟件中調(diào)用相應(yīng)模塊。 在Vixworks04.25以前的版本中，所有輸入壓力無(wú)論其為何種單位，均會(huì)被轉(zhuǎn)化為以bar為單位，然后再結(jié)合楊氏模量數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。所以楊氏模量對(duì)應(yīng)的壓力單位默認(rèn)為bar。在組態(tài)軟件中，楊氏模量的數(shù)值設(shè)為1930600bar(不銹鋼的楊氏模量)。 碳鋼的楊氏模量數(shù)值為2068430bar。經(jīng)計(jì)算比較，將碳鋼的楊氏模量設(shè)為不銹鋼的楊氏模量，在工作壓力為4246.145kPa，管道內(nèi)徑為0.25451562m，管道外徑為0.35m的條件下，對(duì)超聲流量計(jì)計(jì)量結(jié)果的影響為0.00138%，可以忽略不計(jì)。 在Vixworks04.25以后的版本中，超聲流量計(jì)表體壓力膨脹系數(shù)的修正模塊中，修改了上述關(guān)系。即當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)選定的壓力為kPa，則楊氏模量數(shù)值對(duì)應(yīng)的單位也應(yīng)為kPa；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)選定的壓力單位為MPa時(shí)，則楊氏模量數(shù)值對(duì)應(yīng)的單位也應(yīng)為MPa。如果選定的單位為kPa，楊氏模量數(shù)值對(duì)應(yīng)的單位為bar，則會(huì)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生較大影響。 1.2 楊氏模量對(duì)流量計(jì)算的影響 為確定楊氏模量對(duì)流量計(jì)算的影響，進(jìn)行了模擬計(jì)算。假定只有楊氏模量數(shù)值變化，其它參數(shù)不變，進(jìn)行理論計(jì)算。 在S600流量計(jì)算機(jī)中，工況的計(jì)算公式為： 式中：qv為經(jīng)溫度、壓力修正后的工況流量(m3/h)；V為天然氣流速(m/s)；Din為經(jīng)干標(biāo)所得的超聲流量計(jì)表體內(nèi)徑(m)；Cp為壓力對(duì)工況流量的修正系數(shù)，由式(2)計(jì)算所得；Ct為溫度對(duì)工況流量的修正系數(shù)，由式(4)計(jì)算所得；MF為校準(zhǔn)系數(shù)；CF為管道流體流速分布系數(shù)。 式中：S為超聲流量計(jì)表體材質(zhì)壓力膨脹修正系數(shù)，由式(3)計(jì)算所得；PL為壓力(bar)；PCAL為標(biāo)定內(nèi)徑時(shí)的壓力(bar)，通常為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大氣壓。 式中：E為楊氏模量(bar)；Dout為超聲流量計(jì)表體外徑(m)；Din為干標(biāo)所得的超聲流量計(jì)表體內(nèi)徑(m)。 式中：L為超聲流量計(jì)表體材質(zhì)所對(duì)應(yīng)的線性溫度修正系數(shù)(℃-1)；TL為溫度(℃)；TCAL為超聲流量計(jì)標(biāo)定內(nèi)徑時(shí)的溫度(℃)，通常為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度。 2 計(jì)算示例 2.1 正確楊氏模量數(shù)值計(jì)算 以上述超聲流量計(jì)的工作情況為例，進(jìn)行計(jì)算。 2.1.1 超聲流量計(jì)特性參數(shù) 超聲流量計(jì)表體材質(zhì)為碳鋼，正確的E=206843000(kPa)，L=0.0000149(℃-1)； 超聲流量計(jì)表體內(nèi)外徑分別為Din=0.25451562m，Dout=0.35m。 2.1.2 超聲流量計(jì)運(yùn)行參數(shù) 所測(cè)氣體流速V=16.85m/s；工作壓力PL=4246.145kPa；工作溫度TL=4.43℃。 2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 大氣壓PCAL=101.325kPa；溫度TCAL=20℃。 2.1.4 其它系數(shù) π=3.1415926，MF=1.0000(以默認(rèn)1.0000為計(jì)算示例)，CF=1.0000(對(duì)四聲道流量計(jì)，該系數(shù)取1.0000)。 2.1.5 計(jì)算過(guò)程 將相關(guān)參數(shù)值代入式(4)可得： 將相關(guān)參數(shù)值代入式(3)可得： 將相關(guān)數(shù)值代入式(2)可得： 再將相關(guān)參數(shù)和計(jì)算數(shù)值代入式(1)可得： 2.2 錯(cuò)誤楊氏模量數(shù)值計(jì)算 以bar為單位的不銹鋼楊氏模量數(shù)值代入計(jì)算。 按2.1.1～2.1.4所示數(shù)據(jù)，其它參數(shù)不變，只將以bar為單位的不銹鋼楊氏模量數(shù)值1930600代入計(jì)算，則： 2.3 兩次計(jì)算的偏差 偏差=(錯(cuò)誤楊氏模量數(shù)值計(jì)算流量-正確楊氏模量數(shù)值計(jì)算流量)/正確楊氏模量數(shù)值計(jì)算流量 ×100%=(3147.753084.63)/3084.63×100%=2.046%。 3 結(jié)論 在新版Vixworks的S600流量計(jì)算機(jī)中運(yùn)行了老版的組態(tài)軟件，即設(shè)定楊氏模量數(shù)值應(yīng)對(duì)應(yīng)的單位為bar，而現(xiàn)場(chǎng)選用的壓力單位為kPa，使參與計(jì)算的楊氏模量數(shù)值比實(shí)際數(shù)值小了100倍，從而導(dǎo)致了管道受高壓膨脹修正計(jì)算的偏差。在工作壓力為4246.145kPa，管道內(nèi)徑為0.25451562m，管道外徑為0.35m的條件下，所產(chǎn)生的偏差達(dá)2.046%。
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