在20世纪初,孔板流量计应用于天然气流量测量,经过一个世纪的发展,它已成为*主要的天然气流量计[1]。近年来,尽管出现了许多新型天然气测量流量计,如,超声流量计、气体涡轮流量计等。但由于孔板流量计测量技术历史悠久、应用范围广、结构简单、使用寿命长及价格低等特点,且标准型孔板流量计可以无须校准而确定信号(差压)与流量的关系,并估算其测量误差等特点,在流量计中是惟一的。正是由于上述原因,在今后相当长一个时期内,由于种种因素的制约,特别是标定不能获得妥善解决之前,孔板流量计仍是天然气计量的主要仪表。
1　孔板流量计的测量原理
　　孔板流量计是根据安装在管道中孔板产生的差压、已知流体条件和孔板与管道的几何尺寸来测量流量。它由孔板、差压变送器和流量显示仪组成。如图1,当流体流经设置在管道中的节流件(孔板)时,流束将在节流件处形成局部收缩。此时流速增大,静差压降低,在孔板前后产生差压,流量愈大,差压愈大,因而可根据差压来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础,流量为[2]。
qm= C(1-β 4)- 1/2επ/[4d2(2Δpρ1)1/2],
　　式中,qm为质量流量,kg/s;C为流出系数m3/s;ε为可膨胀形系数;β为直径比,β= d/ D; d为工作条件下节流件孔径,m;D为工作条件下上游管道内径,m;Δp为差压,Pa,Δp= p1- p2;ρ1为上游流体密度,kg/m3。

2　新型孔板流量计的特点
　　由孔板流量计的测量原理可知,流量与差压为平方根关系,如果压差降低到原差压的1/9,则流量将减小到原流量的1/3,这样,对于一个差压上限固定的差压变送器来说,其测量精度是下降了,这就是传统孔板流量计的量程比大为4∶1的原因。在石油天然气钻采工程领域,天然气的流量,物性参数等会随年份不同,工况条件不同有很大差异,采用传统孔板流量计测量存在测量范围窄,测量精度低,需在工况变化时,更换不同的孔板元件等缺点。近年来,随着微电子技术,计算机技术,新材料,新工艺的迅速发展,差压变送器和流量计已大大提高其性能及可靠性,仪表厂家相继开发了一些宽幅一体化智能孔板流量计,对原有的孔板流量计做了很大改进。
a)　流量测量范围扩展方式改进　在石油天然气测量中,对流量变化大的场合,传统做法是同时配备多块β值不同的孔板或并列几台流量计。新型智能孔板流量计,如,日本SONIC公司开发的孔板流量计,其流量比的范围可在流量计算机上进行选择。流量计算机上除设有正常流量比外,还设有2个扩展功能(如图2),一是为了计量小流量,可将计量范围扩大到大可测流量的1/40,这种功能是在流量计算机上采用扩展差压分解功能系统,不用更换孔板和差压变送器就可完成;另一个扩展功能就是大流量侧计量范围的扩张,这是将差压扩大,从而使大流量侧的计量范围加以扩大的一种系统。另外还有超宽幅范围方式,量程比大可达1∶180,采用2台差压变送器,各自负担着小流量范围和大流量范围的测量,各自独立发信号,流量计算机则把这些信号分成不同领域进行变换选择,并在各领域进行演算,从而使超宽幅范围在测量上也能保证较高的精度。虽然多投入了1台差压变送器,但是与并列2台流量计的设备费用相比,既提高了经济效益,又节省了来回切换的麻烦;与采用多块孔板的方法相比,避免了孔板更换,降低了生产操作难度。
b)　孔板元件与二次仪表(差压变送器及流量积算仪)一体化　传统孔板流量计在应用中,孔板与二次仪表分开,把差压信号送到中控进行流量计算,在流量变化较大的场合,还需配备多块孔板,一体化流量计完*了这一不便,使孔板和二次仪表成为一体,省去了引压管线,减少了故障率,改善了动态特性,方便了安装使用[2],且体积小,节约成本,无需现场更换孔板,只需设定量程比即可,操作方便,受到用户的欢迎。

c)　自动温压补偿功能　孔板流量计的总精度为± 0.8%～ 5.0%[3],对孔板流量计来说,密度是影响流量计特性的主要参数,而密度又是温度、压力的函数,现场压力温度波动是不可避免的,由此引起的物性参数的变动是使用时产生附加误差的主要原因之一,在高精度测量时应特别注意。由于天然气是可压缩流体,受温度、压力的影响较大,为了保证精确度,常常采用温压补偿。新型孔板流量计可将压力和温度信号直接送入现场流量计算机,对流量进行压力和温度变化时的自动补偿运算,并将精确的流量值送到中控。但须注意的是,*的仪表是没有的,若补偿方法不当,有累积这些仪表误差的可能,增加了故障因素,所以,进行补偿时须慎重考虑。另外,在某些场合,当流体组分发生变化时,就不能采用压力、温度补偿,而应采用密度补偿[2]。
3　发展前景
　　随着科学技术的不断发展,与传统孔板流量计相比,当今智能孔板流量计发展趋势是一体化、高精度、宽量比的新型流量计,并拥有补偿功能完善的流量计算机,具有强大的功能软件,同时设有RS485标准计算机通信接口,可与DCS连接通信,对维护检修提供了方便,在工业生产过程中方便实用。同时,由于新颖的差压变送器可同时测量差压、静压和温度,并经计算单元作气体压力、温度修正或测气体质量流量,减少了独立的传感器数量,简化管线工程,降低安装费用;减少管线开孔,降低潜在泄露点[4],提高整体可靠性,这些都为智能孔板流量计更好地应用提供了可靠的技术保证。天然气作为流动的气体，其流量值是间接测量得出的。其测量值的准确程度直接取决于所使用的计量设备及设备的整体安装和使用。目前，我国天然气计量可选用的流量计类型达到七八种以上，但在天然气输气管网中使用的中高压、大口径流量计主要有超声、涡轮流量计和孔板等。其中，孔板流量计因为结构简单、投资少、计量准确度较高，成为我国天然气传输过程中主要的计量方式，在全国各大油田均有应用。在大庆油田，天然气的储运传输过程中主要应用孔板流量计。孔板流量计计量工作是大庆油田天然气企业生产和经营管理中的一项重要技术基础工作，是大庆油田的天然气勘探开发、生产、经营的重要依据；也是企业内部经营管理、计算和考核各类设备的经济技术指标，制定或调整远景规划及年度规划方面*的数据。
　　随着科技发展和自动化水平的提高，计算机技术已经普及到了油田生产的每一个环节。大庆油田为了保证天然气计量的准确性，减少天然气输送计量误差，大量引入了天然气计算机智能计量系统。该系统包含现场使用的孔板流量计和处理该数据所使用的计算机系统。传统孔板流量计检定、校准的方法一般都是安装前对孔板流量计进行检定，而安装后由于现场条件限制，不进行检定、校准。*，孔板流量计对安装有很高的要求，不按照标准安装的孔板流量计误差非常大，特别是引进了孔板流量计计算机系统，其压力、温度、差压等变送器信号在传输过程中产生的电信号漂移，都可以对终数据的准确性产生较大的影响，使系统安装使用后的计量准确性问题一直没有得到相关数据的验证。为了给油田相关企业提供准确的数据支持，为天然气生产和销售等相关单位提供准确的能耗数据，大庆油田计量检定测试所提出了天然气孔板流量计在线实时校准方法。
2特点
　　新开发了天然气在线实时校准技术，其工作原理是：通过研发一套多路过程智能校验装置对天然气系统的压力、压差、温度等参数实现实时测量，对天然气的组分、天然气输送管道的材质等数据分析计算，从而实现天然气计量的在线实时检定。图1为天然气流量智能校验装置结构。如图所示，实验平台一共分为三层，从上到下分别是工控机、信号调理板和接线盒，分别通过带有BNC接口的导线相连接。整个工控机集成了控制器、多功能数据采集卡、便携式触摸屏和便携式键盘，在外部体积上减少了空间，有利于天然气计量的现场校准。其中多功能数据采集卡可以分别作为外部差压、压力和温度信号的输入端，将接线盒与电流转电压信号板相连接，因此能够得到外部信号的电压信号，终送到控制器进行数据处理，通过相应软件后台计算出天然气的具体流量。
　　天然气孔板流量的在线实时校准，主要分为瞬时量和累计量的计量两个方面，累积量计算是否准确，是以瞬时量计算准确性为前提的，在累计量计量中，计量时钟必须准确，即瞬时量和计量时钟二者缺一不可。瞬时量计算准确度校准是依据静态数据的算法比对，用多路过程智能校验装置采用天然气流量智能校验系统静态测量的结果与GB/T21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》附录中所提供天然气流量计算实例结果对比[1]，分析软件计算结果的准确度。在所有已知条件相同的情况下，静态测量实验结果见表1。

　　静态测量实验结果验证了多路过程智能校验装置设计的正确性，符合GB/T21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》的要求。
　　时钟的准确性必须通过长时间时钟的累积来验证准确性。天然气流量计算机（HC601）采用系统的硬件时钟中断来获得，不受系统运行负荷的影响，每秒累积一次，非常精准，因此能够保证积累的准确性。天然气的静态测量结果的正确性和时钟准确性，通过多路过程智能校验装置可以满足天然气的动态计量基础，实现天然气孔板流量计计量系统现场在线校准。
3现场应用
　　对某天然气公司进行现场测试，在测试中发现某些孔板流量计算机系统静态计量存在偏差较大，天然气供应单位一直同天然气使用单位存在计量纠纷。经过在线实时检定，发现系统显示的瞬时量计量和累计量计量都和标准存在误差，经过校准问题得到了解决。测试数据与实际数据对比见表2。

　　针对测试数据，按照某单位每年实际输送300天计算，其每年少计量的天然气量为19152m3。经过对现场设备重新校准调试，为企业的节能减排提供了准确的数据支持。
4结论
　　天然气孔板流量计在在线检定校准项目的开展能为天然气生产及相关企业提供准确的数据支持，必将在天然气生产的各个环节发挥重大作用。