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天然氣孔板流量計(jì)誤差分析與改進(jìn)
摘要:隨著天然氣貿(mào)易的發(fā)展,對(duì)天然氣流量準(zhǔn)確計(jì)量的要求越來越高。目前,孔板流量計(jì)仍是最主要的天然氣流量計(jì)。文章綜合分析了影響孔板流量計(jì)計(jì)量精度的主要因素,提出了提高孔板流量計(jì)計(jì)量精度的有效措施。

天然氣管道的迅速發(fā)展,要求對(duì)天然氣流量進(jìn)行更加準(zhǔn)確的計(jì)量。由于孔板計(jì)量方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、計(jì)量精度較高,成為我國天然氣流量最主要的計(jì)量方式,在全國各大油田均有應(yīng)用。據(jù)調(diào)查,石油天然氣行業(yè)采用孔板流量計(jì)作為貿(mào)易計(jì)量的約占95%以上。孔板流量計(jì)是通過測(cè)量安裝在管路中的同心孔板兩側(cè)差壓來計(jì)算流量的一種檢測(cè)設(shè)備。它由節(jié)流裝置、差壓計(jì)、壓力計(jì)和溫度計(jì)等組成。它以能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程為理論依據(jù),由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置產(chǎn)生差壓,應(yīng)用成熟、可靠的儀表進(jìn)行差壓、壓力、溫度測(cè)量,由流量積算儀或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算得到天然氣的流量。在實(shí)際工作中,由于計(jì)量?jī)x表誤差以及使用條件變化帶來的誤差往往使孔板流量計(jì)的精度不能達(dá)到要求。因此,找出引起誤差的因素,提出改進(jìn)措施對(duì)于提高天然氣計(jì)量精度具有重大意義。

1天然氣流量計(jì)算方法[1]

1.1天然氣體積流量計(jì)算基本公式天然氣體積流量計(jì)算基本公式為

式中,Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量,m3/s;C為流出系數(shù);β為直徑比;ε為可膨脹系數(shù);d為孔板開孔直徑,mm;Δp為節(jié)流件前后壓差,Pa;ρ為天然氣在上游工況條件下的密度,kg/m3;ρn為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度,kg/m3;

1.2天然氣體積流量計(jì)算實(shí)用公式

天然氣體積流量計(jì)算實(shí)用公式為

式中,As為秒計(jì)量系數(shù),視采用計(jì)量單位而定,As=3.1794×10-6;E為漸進(jìn)速度系數(shù);FG為相對(duì)密度系數(shù);FZ為超壓縮因子;FT為流動(dòng)溫度系數(shù);p1為孔板上游取壓孔絕對(duì)靜壓,MPa。

2計(jì)量誤差分析

2.1流出系數(shù)C對(duì)計(jì)量精度的影響

流出系數(shù)C是在上游直管段充分長(zhǎng)的試驗(yàn)條件下,并且孔板節(jié)流裝置在滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)下進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定才有效。當(dāng)Re較小時(shí),流出系數(shù)會(huì)變大,當(dāng)Re較大時(shí),流出系數(shù)會(huì)變小。流出系數(shù)C隨流量的增大而減小,實(shí)際流量越小于刻度流量,流出系數(shù)C引起的流量誤差則越大。孔板流量計(jì)的流出系數(shù)C不是一個(gè)定值,它隨Re的變化而變化,但是當(dāng)Re增大到某一數(shù)值時(shí),變化量減小。對(duì)于法蘭取壓,Re應(yīng)該在106以上,對(duì)于角接取壓,Re應(yīng)在2×10⁵以上。

2.2被測(cè)介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)的不確定度因素

2.2.1天然氣相對(duì)密度對(duì)流量計(jì)量的影響

從式(2)的推導(dǎo)中可知(見參考文獻(xiàn)[2]),天然氣流量值與1/Gr的平方根成正比例變化,如果將Gr作為一個(gè)獨(dú)立量看待,則當(dāng)Gr的不確定度為±0.5%時(shí),由此引起的天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量的不確定因素為±0.25%,可見,天然氣真實(shí)相對(duì)密度Gr對(duì)流量計(jì)量的影響很大。Gr的不確定度是由實(shí)際天然氣各有關(guān)物理參數(shù)確定、測(cè)量、分析的不確定度引起的。比如,實(shí)際空氣的組分偏離標(biāo)準(zhǔn)組分的偏離程度,各有關(guān)組分分子量測(cè)量的不確定度。Gr的確定方法可分為2類[3],一是用真實(shí)相對(duì)密度計(jì)測(cè)量,例如浮力氣體天平、動(dòng)量密度計(jì)、氣體密度計(jì)等;二是先利用氣分析儀分析出天然氣的全組分,然后根據(jù)天然氣組分計(jì)算Gr值。目前,我國普遍采用第2種方法,但由于壓力溫度的變化,Gr并不是一個(gè)定值。采用在線色譜及時(shí)檢測(cè)到組分的變化情況,可以提高計(jì)量精度。

2.2.2天然氣壓縮因子對(duì)流量計(jì)量的影響

流量計(jì)量結(jié)果是以工作狀態(tài)下的流量形式給出,由于各地工況不同,需將流量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下的氣體流量。在壓力不高、溫度不低的情況下,可以按照理想氣體方程進(jìn)行體積流量換算。然而,實(shí)際氣體和理想氣體總有一定差別,尤其是在管道壓力較大或是溫度變化較大的情況下,氣體并不遵循理想氣體狀態(tài)方程。天然氣壓縮系數(shù)的求解有卡茨曲線圖求解法、卡茨表求解法、查《天然氣壓縮系數(shù)速查手冊(cè)》法。比較而言,《速查手冊(cè)》能迅速、方便地計(jì)算出壓縮系數(shù),但誤差更大。卡茨表最精確,但由于卡茨表的壓縮系數(shù)太少,當(dāng)表內(nèi)沒有對(duì)應(yīng)數(shù)值,還需用內(nèi)插法算出,使用較麻煩。

2.2.3可膨脹系數(shù)ε對(duì)流量計(jì)量的影響

ε是因氣體流經(jīng)孔板時(shí)密度產(chǎn)生變化而引入的修正系數(shù),這是流量誤差的一個(gè)重要來源。當(dāng)天然氣流量低于設(shè)計(jì)流量時(shí),實(shí)際的ε低于設(shè)計(jì)的ε,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏小,反之,測(cè)量結(jié)果偏大。當(dāng)實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量一致,而靜壓p1低于設(shè)計(jì)壓力,實(shí)際的ε小于設(shè)計(jì)的ε,使流量測(cè)量偏大,反之偏小。

2.2.4脈動(dòng)流對(duì)流量計(jì)量的影響

脈動(dòng)流是由管道中氣體的流速和壓力發(fā)生突然變化造成的,它能引起差壓的波動(dòng),使記錄曲線變成一個(gè)寬帶。引起脈動(dòng)流的起因有單一的,也有多個(gè)因素綜合的,如長(zhǎng)輸管道積液、天然氣壓縮機(jī)的使用、氣井之間壓力干擾、用戶用氣不均、供氣調(diào)壓閥開度的突然改變等均能引起差壓波動(dòng)。穩(wěn)定流動(dòng)是節(jié)流裝置流量計(jì)算公式的基礎(chǔ),當(dāng)測(cè)量點(diǎn)有脈動(dòng)現(xiàn)象時(shí),穩(wěn)定原理不能成立,因而影響測(cè)量精度。氣壓波動(dòng)范圍越寬,測(cè)量誤差越大,所以,為保證測(cè)量值準(zhǔn)確,必須抑制脈動(dòng)。

2.3儀器的設(shè)計(jì)安裝管理誤差分析

2.3.1儀器的設(shè)計(jì)誤差

儀器本身產(chǎn)生的誤差是由于儀器本身設(shè)計(jì)、安裝上和使用過程中,某些結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)變化,從而影響了氣體的測(cè)量準(zhǔn)確度。主要表現(xiàn)為孔板入口直角銳利度不夠,管徑尺寸與計(jì)算不符,孔板厚度誤差,節(jié)流附件產(chǎn)生臺(tái)階、偏心,孔板上游端面有劃痕和毛刺,環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺(tái)階、偏心,取壓孔加工不規(guī)范或堵塞,焊接、焊縫突出,節(jié)流件不同軸度。

2.3.2安裝管理誤差

安裝管理誤差如果不及時(shí)解決,會(huì)成為一個(gè)無法進(jìn)行完全定性分析的潛在誤差源。安裝誤差具有普遍性,如現(xiàn)場(chǎng)的施工條件不能滿足直管段要求的長(zhǎng)度或管材不符合要求等。具體表現(xiàn)為管路超長(zhǎng)、彎折偏多、孔板變形、上游測(cè)量管沉積臟物造成管徑偏小、Re范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、管道粗糙度影響、焊口錯(cuò)位。管理上的誤差主要表現(xiàn)為儀表型號(hào)、孔板尺寸與流量不匹配,引壓管、平衡閥、差壓計(jì)各連接部位的滲漏,大氣溫度、管壁積液、結(jié)蠟的影響,人員操作錯(cuò)誤。

2.4流量積算方法不當(dāng)對(duì)計(jì)量的影響

標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置與配置不同的二次測(cè)量?jī)x表構(gòu)成不同的流量積算方法。采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量,其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等有關(guān)。如果流量測(cè)量系統(tǒng)沒有嚴(yán)格按計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求配置相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表,流量積算時(shí)氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化沒有得到完全補(bǔ)償,就會(huì)降低流量計(jì)的準(zhǔn)確度。

3提高孔板流量計(jì)計(jì)量精度的措施

3.1孔板流量的設(shè)計(jì)安裝應(yīng)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

孔板節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)安裝應(yīng)嚴(yán)格按照GB2624-81或SY/Y6143-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),特別在安裝時(shí),要根據(jù)孔板前阻力件形式配接足夠長(zhǎng)度的直管段,長(zhǎng)度至少為30d。當(dāng)場(chǎng)地不允許時(shí),必須在孔板前的直管段上安裝整流器。孔板入口端面必須與管道線垂直,其偏差不能超過1°。安裝時(shí)孔板嚴(yán)禁反向。要正確使用和選擇壓差計(jì),當(dāng)壓差計(jì)工作量程在30%以下時(shí),必須及時(shí)更換壓差計(jì)的量程或孔板規(guī)格。法蘭β值應(yīng)為0.20～0.75,角接β值應(yīng)為0.4～0.6[3]。

3.2消除脈動(dòng)流[4]

a)消除脈動(dòng)源,將天然氣中的水分最大限度地從管線中脫出,采用吹掃、清管或低處安裝分液器來清除管線中的積液。

b)在滿足計(jì)量能力的條件下,減小測(cè)量管內(nèi)徑,提高差壓和孔徑比。

c)采用短引壓管線,盡量減少引壓管線系統(tǒng)中的阻力件,并使上下游管線長(zhǎng)度相等,以減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動(dòng)振幅的增加。

d)在測(cè)量點(diǎn)前入口處加裝調(diào)壓閥,穩(wěn)定輸出壓力,或在測(cè)量管段前加裝緩沖罐,儲(chǔ)存和釋放氣體的能量,抑制脈動(dòng)源引起的差壓波動(dòng),有效地減少脈動(dòng)現(xiàn)象對(duì)計(jì)量精度的影響。

e)控制計(jì)量管段下流閥。實(shí)踐證明,控制下流閥能有效抑制脈動(dòng)流,同時(shí)對(duì)各類脈動(dòng)源引起的壓差波動(dòng)都有抑制作用。

3.3量值溯源

a)流量量值的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是一種固定裝置,其特點(diǎn)與流量計(jì)有較大差別,不僅標(biāo)準(zhǔn)沒有移動(dòng)性,它也無法實(shí)際反映流量參數(shù)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。如何在一臺(tái)流量計(jì)上把基本量綜合為導(dǎo)出量,目前仍是難點(diǎn)。

b)當(dāng)孔板節(jié)流裝置的一次裝置設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)和使用完全符合SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn)中1～7章的全部技術(shù)要求時(shí),即可達(dá)到幾何和流體力學(xué)相似,在此基礎(chǔ)上可以執(zhí)行單參數(shù)溯源,節(jié)流裝置部分用長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸干檢,壓力、溫度、時(shí)間或氣樣分析用各自的標(biāo)準(zhǔn)器具或標(biāo)準(zhǔn)樣氣進(jìn)行檢驗(yàn),并將標(biāo)準(zhǔn)器與國家基準(zhǔn)建立溯源鏈。

c)對(duì)用于貿(mào)易計(jì)量的孔板流量計(jì)量裝置,建議流量計(jì)投入使用前或使用一段時(shí)間后,進(jìn)行實(shí)流檢定或校準(zhǔn),以保證一次儀表的準(zhǔn)確度。

d)天然氣組成分析應(yīng)采用GB/T13610規(guī)定的方法,標(biāo)準(zhǔn)氣體應(yīng)選擇經(jīng)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局考核合格的、有合格證并標(biāo)有不確定度的標(biāo)準(zhǔn)氣體,標(biāo)準(zhǔn)氣體準(zhǔn)確度應(yīng)不低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氣體(2.0%)。在條件許可的條件下,應(yīng)開展天然氣在線組成分析和物性參數(shù)的在線測(cè)定。

3.4加強(qiáng)業(yè)務(wù)培訓(xùn),建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度

加強(qiáng)職工的計(jì)量業(yè)務(wù)培訓(xùn),提高其技術(shù)水平和發(fā)現(xiàn)故障、解決問題的能力。做好系統(tǒng)的檢修、維護(hù)、保養(yǎng)工作,延長(zhǎng)其使用壽命。建立健全各級(jí)計(jì)量管理責(zé)任制度,標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具周期送檢和維護(hù)制度,工作儀表檢驗(yàn)、調(diào)校和維修制度,計(jì)量設(shè)備和計(jì)量?jī)x表的資料檔案管理制度等。每月至少清洗檢測(cè)1次孔板,檢查儀表零點(diǎn)、儀表D/A轉(zhuǎn)換通道,核對(duì)流量計(jì)算程序,對(duì)有坑蝕及劃痕的孔板應(yīng)及時(shí)更換,加強(qiáng)對(duì)天然氣生產(chǎn)情況的監(jiān)測(cè),及時(shí)消除誤差。

3.5推進(jìn)計(jì)量方式的自動(dòng)化智能化發(fā)展[5～6]

隨著微傳感器和微計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,天然氣計(jì)量已逐步向在線、實(shí)時(shí)、智能靠近,改進(jìn)傳感器技術(shù)來提高天然氣計(jì)量精度非常有效,將測(cè)量傳感器和采集、儲(chǔ)存及傳輸數(shù)據(jù)用電子元件都集于一個(gè)模件的集成系統(tǒng)將成為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),體積更小,功能更強(qiáng),價(jià)格更便宜。隨著天然氣輸送管線的不斷改進(jìn),現(xiàn)有的氣體測(cè)量技術(shù)應(yīng)得到改進(jìn)。