在《用标准孔板流量计测量天然气流量》(GB/T21446-2008)标准中，明确了孔板夹持器和前后测量管的安装要求 [1] [2] 。在生产现场，将孔板的清洁、检测作为对计量装置维护的主要工作内容，通过对孔板的清洗、检查、和更换，使孔板满足计量标准规定的技术要求，提高计量的准确性。但是，在实际生产中，杂质不仅附着在孔板表面，同时也附着在前后测量管内表面，造成对计量准确度的影响。原料气、净化气中夹带污物和粉尘，随着气流在管线内流动，杂质不断与测量管接触，附着在测量管内表面，直接影响管壁内的表面光洁度 [3] [4] 。要清除管道内表面杂质，必须在停产，泄放管段内的压力后才能进行。然而，当前还没有要求对计量装置前后测量管的维护，针对测量管表面粗糙度变化对计量准确度的影响也少有报道 [5] [6] 。因此，本研究开展测量管粗糙度变化对计量准确性影响研究，探寻高级孔板计量装置上下游测量管维护方法很有必要。

标准孔板流量计测量流量是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差来实现流量测量的。实践证明，节流件前后的压差信号Δp与流量Q有如下的关系 [7] [8] ：

$Q=A_d\frac{C}{\sqrt{1-{\beta }^4}}{d}^2\epsilon F_z\sqrt{\frac{1}{G_r{T}_1}}\sqrt{P_1\Delta P}$(1)

式中，Q_n为日标准体积流量，m³/d；A_d为日流量系数，其值为4.703391；d孔板开口直径，T₁为上游气流温度，K；P₁为上游绝对静压力，MPa；ΔP为压差，Pa；Gr天然气真实相对密度；C为流出系数。

流出系数C是流过节流装置的实际流量值与理论流量值之比。在工程中，流量系数Ｃ的稳定值被统一设为1。但是，不同的工况有不同的流量系数的数值。随着计算机技术的快速发展，可以通过仿真模拟来开展测量管粗糙度对计量的影响分析，具体分析步骤如下：

1) 结合仿真模拟软件，建立孔板流量计的流场分析模型；

2) 设置流量边界和压力边界，数值一定；然后更改管径和粗糙度，由此获得不同管径、不同粗糙度下的压降和流量；

3) 结合获得的参数，将流量、压力、温度、压降等数值代入式(1)，反算得到不同工况条件下的流出系数C。

获得在一定管道粗糙度下压降和流量的对应关系，再结合式(1)可以获得真实工况下的流出系数C。

基于上述步骤，运用Ansys Workbench软件建立孔板模型，采用标准k-ε模型对湍流场进行模拟 [9] [10] 。同时依据工程实例，介质为天然气，边界条件中的入口条件设定为质量入口，出口条件设定为压力出口。采用Ansys Workbench自带的基于压力的耦合求解器进行求解。标准孔板流量计网格划分结果如 图1 所示。

经计算，获得的压力分布结果如 图2 所示。因此，结合模拟结果，可以通过流量与压降的关系，反算出不同工况下对应的流出系数。

图3 表征了不同管壁粗糙度与流出系数C的对应关系。由于计量管段内有污物沉积，一方面减少了通道横截面，另一方面增加了管壁的粗糙度，在两者的作用下，实际流出系数变小。另外，由 图3 可知，随着管径的降低，管壁粗糙度对流出系数的影响越大。

在实际工程中，孔板流量计的流出系数设置为1，而实际流出系数受管壁粗糙度的影响。管壁越粗糙，流出系数越小，数值小于1。流出系数变小，实际气流量应减少，但是由于高级孔板计量装置中流出系数一般设置为1，这就使得孔板计量装置的计量偏差增大。因此，对于天然气计量来说，研究保持管道内壁的光洁度的方法和措施就非常有必要。

通过前面的分析可以发现，管道内壁光洁度好时，气体通过管道的速度变得更加稳定，而且计量误差也会减小。同时，管道内壁光洁度好也能减少污垢的积累，保证气体流量通畅。因此，养护管道内壁光洁度有助于保持计量装置的精度和稳定性。为此，本研究提出了一种新型的励磁振动除垢装置。

1) 基于气动力学基本原理，构建了与现场高度吻合的孔板计量装置内流场三维模型，分析了内部流场的特征，计算获得了不同粗糙度条件下的流出系数。在同一管径条件下，管壁越粗糙，流出系数越小，数值小于1。

2) 在实际工况条件下，由于计量管段内有污物沉积，一方面减少了通道横截面，另一方面增加了管壁的粗糙度，在两者的作用下，实际流出系数变小，但是由于高级孔板计量装置中流出系数一般设置为1，这就使得孔板计量装置的计量偏差增大。

3) 当前针对天然气计量管道除垢技术相对缺乏的现状，依据天然气计量管道内除垢的适配程度，本研究设计了一种新型励磁振动除垢装置，该装置具有除垢效果显著、总成本低廉、操作方便等优点。

4) 对励磁振动除垢装置进行了设计和制造，并完成了室内试验，通过实验证明了偏心振动除垢装置的有效性，推荐的运用条件：操作时长为25 min，振动频率为40 kHz。