天然气是一种高效、清洁燃料和优质化工原料。天然气流量计量是天然气生产和使用中必须解决的一个重要问题。在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常进行的重要的技术基础工作。天然气的准确计量不但能公平地进行贸易结算，而且能指导改进生产工艺，提高产品质量，降低产品生产成本，提高经济效益和社会效益。作为西气东输主力气源地的克拉二气田在天然气生产计量中选用的流量计量仪表是孔板流量计。单井上使用4套，中央处理厂使用11套，用以井口计量、进站计量和外输计量。克拉二气田的孔板流量计是由中国人民解放军第5719工厂生产的高级型可换孔板阀和英国Rosemount公司生产的智能差压变送器、压力变送器、温度变送器以及流量显示装置组成。
1 孔板流量计的计量原理及特征
1.1 孔板流量计的计量原理
孔板流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流元件时在其前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比关系来计算流量的。
（1）差压法测气原理
充满管道的流体，当它流经管道内节流装置（如孔板）时，流束将在节流装置处形成局部收缩，使部分压能转为动能，其结果使流速增加，静压降低，在节流装置前后产生了压力降，如图1所示。
对于一定型式、一定尺寸的节流装置来说，所产生的压差与气体流量有关，流量愈大，压差也愈大；流量减小，压差也减小；流量为零，压差也为零。因此，通过测量压差的大小，就可间接地计算气体流量，这种方法就称差压法测量气体流量。
（2）流束局部收缩和压差的产生
被测流体流经节流装置前后的特性和压力分布如图1所示。
在孔板前，连续流动着的流体将遇到孔板的阻挡。在管壁处的流体由于受孔板阻挡，阻力最大，使流体速度降低，部分动能转变成静压能，其结果使孔板入口端面接近管壁处的流体静压力升高。而管道中心流速最大，静压最低，使其在同一端面形成径向压力差，其结果将使流体质点在这一径向压差作用下产生一径向加速度。在这一径向速度作用下，靠近管壁处的流体质点以偏转一个角度向孔口流动，形成了流束的局部收缩。
由于流体运动的惯性，流经节流装置后流体将继续保持原来的流动方向，在孔板出口端面Ⅱ处形成一最小收缩截面，此处流束截面最小，流速达最大，压力最低。此后，流束又逐渐扩大，压力逐渐恢复升高，直到流体充满整个管道，压力恢复到最大值。但孔板后的压力并没有恢复到原来的数值，两者压力之差，即为流体流经节流装置后所产生的压力损失。此压力损失主要是由流体流经节流装置后流束突然扩大所产生涡流呆滞现象所造成的。在孔板出口端面处，流速已比原来增大，静压力也就较原来低。即p1>p2（p1、p2分别为孔板前后的压力）。因此，只要测量出p1、p2之差，就可计算出通过孔板气体流量的大小。孔板流量计理论流量计算公式为：
式中：qv为工况下的体积流量，m3/s；C为流出因数，无量纲；β=d/D，无量纲；d为工况下孔板开孔直径，mm；D为工况下上游管道内径，mm；ε为可膨胀因数，无量纲；Δp为孔板前后的差压值，Pa；ρ1为工况下流体的密度，kg/m3。
对于天然气而言，在标准状态下天然气流量的实用计算公式为：
式中：qn为标准状态下天然气体积流量，m3/s；As为秒计量系数，视采用计量单位而定，此式As=311794×10-6；C为流出系数；E为渐近速度系数；d为工况下孔板开孔直径，mm；FG为相对密度系数；ε为可膨胀系数；FZ为超压缩因子；FT为流动温度系数；p1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压，MPa；Δp为气流流经孔板时产生的差压，Pa。
这种测量方式是以能量守衡和流动连续性方程为基础的。孔板流量计就是通过节流装置产生差压，通过引压管将差压信号传递给差压计由差压变送器转换为标准信号传入主控室DCS（集散控制系统）计算机进行监控。
1.2 高级孔板阀
克拉二气田中央处理厂孔板流量计的主要部件高级孔板阀（采用高级型阀式孔板节流装置），主要用于差压式流量计的信号的产生和传输，可实现在线更换孔板，不影响输送介质，无附加管路；装置内有孔板安装定位机构，标定准确度等级为015级：该装置设有上、下两个密封腔，以及滑阀部件，无旁设附加管线，装置上、下腔间的密封件采用全硬密封结构，阀板和阀座采用22Cr堆焊硬质合金，设有注脂辅助密封结构，可以防止阀座、阀板密封面上污物的沉淀和结垢；采用法兰取压标准孔板作为流量检测元件。
法兰取压指测量管法兰上带有符合有关规定的取压器件，并规定上、下游取压孔的间距均为2514mm，且是从孔板的上游端面量起。取压孔间距是指取压孔轴线与孔板的某一规定端面的距离。适用的流体介质包括轻质油、天然气、含硫（H2S+CO2≤8%）天然气、含Cl-天然气、城市煤气、轻烃等；适用介质温度：-29℃≤t≤121℃。
2 计量误差来源
孔板流量计在现场使用中还存在不少问题，由于克拉二气田现场使用条件恶劣，节流装置与差压变送器及其连接部分引压管线就是出现误差和使用维护的重点。天然气从地层中开采出来，虽经分离、除尘和过滤，因其所含成份十分复杂，从单井计量、进站计量到外输计量，气体组分各不相同，所以节流装置在使用中所受到的腐蚀亦各不同。特别对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲刷、腐蚀尤为严重，这将影响孔板直角入口边缘弧半径和测量管内壁的相对粗糙的规定标准，流出系数将发生变化，流量测量不确定度超出估计数。以下便从孔板流量计的软件问题和硬件问题两方面展开讨论。
2.1 孔板流量计的软件问题产生的误差
标准孔板节流装置与配置不同的二次测量仪表构成不同的流量积算方法。采用标准孔板流量计测量天然气流量，其流量值与天然气组分、差压、压力、温度等有关。流量测量系统未能严格按计量标准要求配置相应的测量仪表，流量积算时气体压力、温度和天然气组分的变化未能得到完全补偿，均会造成流量计准确度下降，形成测量误差。
实际运行流量值偏离设计流量值，这是现场最常见也是我们最关心的问题。在多数情况下，设计流量值定的都比较高，但实际运行流量值较低。分析其原因主要有：
（1）由于节流装置的准确度与可靠度是按常用流量计算的，常用流量一般是刻度流量的70%～80%左右，如果偏离常用流量较远，就会引起流出系数较大的变化，那么它的准确度与可靠度就会大大降低。
（2）差压变送器（差压计）的可靠度是按引用误差计算的。它的误差分布：若系统在50%以下运行，差压计的相对误差在±1%～±6%，对流量的影响±1%～±3%。同时由于雷诺数是流量值的函数，流量值偏离必定引起雷诺数的变化，这样必然引起流出系数的变化。这些影响集中在一起，从而产生实际运行流量值偏离设计值。
（3）介质温度压力偏离设计值，在节流装置设计计算时，对介质流体（包括气体、液体和蒸汽）流量是设计工况下的质量流量（或体积流量），也就是某特定条件下的质量流量（或体积流量），这特定条件包括的参数很多，主要是温度和压力参数。在这特定的条件（温度、压力等）下介质流体的密度是一定的，如果在实际运行时介质流体的温度、压力等主要参数值偏离设计值，介质流体的密度必然也会改变。而介质流体的密度改变，对流量值的影响是很直观的。
现在以中央处理厂外输首站的第五套孔板流量计为例以曲线的形式反映压力、温度的变化对天然气流量计量的影响。
取天然气表压6.1～6.3MPa（步长为0.1MPa）以及温度变化范围25℃～32℃（步长为1℃）天然气流量变化曲线如图3。
从图3可以看出天然气流量计量在一定压力下，随温度的升高而下降，而随着外输压力的升高天然气流量随之增大，同时也可以看出压力是影响天然气流量计量的主导因素。
另一方面，为了工艺操作的方便，仪表指示值给出的是标准状态下的体积流量，这是根据介质流体的密度换算出来的。而介质流体的密度改变使其换算关系也改变。两种影响都会引起节流装置测量时的实际运行流量值偏离设计值。
2.2 孔板流量计硬件的问题产生的计量数据误差
（1）高级孔板阀的问题
孔板开孔不合适加工尺寸不符合设计要求。在现场发现流量计流量增大，原以为是由于一次表、二次表有故障造成，但经多次查实发现，是由于实际孔径小于设计孔径引起流量增大。由于半径减小气体流过孔板时，孔板前后差压增大由公式（K与气体质量、孔板直径、雷诺数等有关）可知流过孔板的气体流量增大。
三阀组中的平衡阀关不严，有少量的泄漏致使气体在引压管中流动，减少了进变送器的差压信号使仪表输出偏低。检查方法是将三阀组中的高低压阀关死。如果平衡阀有漏，则输出会不停的缓慢下降，直至为零。否则，仪表输出应不变。
克拉二气田冬季气温低所造成的孔板冻堵不容忽视，例如孔板流量计孔板放不下去的问题，原因就是其中有冻堵，烃类物质在低温下凝结。这在冬季运行时要加强保温伴热防止冻堵。
安装不妥造成的误差。例如管线布置的偏离，管线布置的偏离造成的安装误差是普遍性的，其产生的主要原因是现场不能满足直管段要求的长度；孔板倒装使流量计示值下降等。
仪器本身产生的误差例如孔板入口直角锐利度；孔板厚度误差；节流件附件产生台阶、偏心；孔板上游端面平度；环室尺寸产生台阶、偏心；取压位置；焊接、焊缝突出；取压孔加工不规范或堵塞；节流件不同轴度。
其他误差例如孔板弯曲（变形）；上游测量管沉积脏物；上游端面沉积脏物；孔板入口直角边缘变钝，破损；雷诺数范围不符合标准规定；管道粗糙度影响，管道粗糙度增加，管道粗糙度变化不定；孔板被划伤、密封圈损坏、长期使用管道锈蚀，这些硬件问题要相对容易发现和纠正，只需要定时对孔板进行检查，及时更换相应部件即可。
（2）差压变送器的问题
差压变送器高低压导管接反。现场表现为差压变送器的输出不上升反而变为零下，可用以下两种方法一是改变检测部件和传送部件的相对位置和导压管接口；二是改变正反作用接片位置。
差压变送器的零点不稳，有漂移或量程偏大致使孔板流量计输出信号偏低。为此，应对变送器进行单独校验，检查仪表的量程和精度是否合乎要求，并反复改变仪表输入信号，观察它的零点是否变化。
仪表引压管堵塞，引起流量计仪表输出变化缓慢，甚至不变。在实际气体计量中天然气内含有固体悬浮颗粒或粉末，时间久了，有的还会固化，引起引压管堵塞，使测量无法正常进行。例如差压变送器引压管冬季冻堵，引起计量不准确。（在集气单元表现比较突出，这是由于这部分计量的是湿气，并且井留物较多。）应该加强保温措施，还要定期排污。
3 结论和建议
在实现克拉二气田孔板流量计的准确计量、减少误差，首先要加强管理，提高人员素质。孔板流量计易于偏离标准的原因在于仪表本身的工作原理与结构特点，仪器自身误差是制造时产生的，安装和使用误差则是在安装时或长期使用中由于流体介质腐蚀、磨损、沾污等造成的。因此，应严格按技术要求安装流量计量系统，消除安装误差。在使用过程中，操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作，延长其使用寿命，减小计量误差。其次测量仪表的正确选用也很重要。测量仪表应首选标准节流装置，当流量变化范围大时要考虑用宽量程智能差压变送器，其它类型检测仪表在相应的计量天然气的标准出台前，应慎重选用，二次仪表的计量模型应符合SY/T6143—2004的要求，计算FZ能输入组份，实时计算C值。
参考文献
[1] GB/T2624—93，用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量[S].
[2] 吴永生，方可人.热工测量及仪表[M].北京：水利电力出版社，1995.
[3] 王绍纯.自动检测技术（第二版）[M].北京：冶金工业出版社，1995.
[4] 高魁明.热工测量仪表（修订版）[M].北京：冶金工业出版社，1993.
[5] 乐嘉谦.仪表工手册[M].北京：化学工业出版社，1998.
