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如何提高孔板流量計的計量精度
摘要:隨著天然氣貿易的發展,對天然氣流量準確計量的要求越來越高。目前,孔板流量計仍是最主要的天然氣流量計。綜合分析了影響孔板流量計計量精度的主要因素,提出了提高孔板流量計計量精度的有效措施。

天然氣管道的迅速發展,要求對天然氣流量進行更加準確的測量。由于孔板計量方式結構簡單,投資少,計量精度較高,它成為了國內天然氣流量最主要的計量方式,在全國各大油田均有廣泛的應用。據調查,石油天然氣行業采用孔板流量計作貿易計量的約占95%以上。

1孔板流量計組成與原理

孔板流量計是通過測量安裝在管路中的同心孔板兩側的差壓來計算流量的一種檢測設備。它由節流裝置、差壓計、壓力計和溫度計等組成。它以能量守恒定律和流動連續性方程為理論依據,由標準節流裝置產生差壓,應用成熟、可靠的儀表設備進行差壓、壓力、溫度的測量,由流量積算儀或計算機控制系統進行計算得到天然氣流量。

2天然氣流量計算方法[1]

2.1天然氣體積流量計算基本公式

式中q_Vn———標準狀態下天然氣體積流量,m3/s;

C———流出系數;

β———直徑比;

ε———可膨脹系數;

d———孔板開孔直徑,mm;

Δp———節流件前后的壓差,Pa;

ρ1———天然氣在上游工況條件下的密度,kg/m3;

ρn———天然氣標準狀態下的密度,kg/m³

2.2天然氣體積流量計算實用公式

式中As———秒計量系數,視采用計量單位而定,此式As=3.1794×10^-6;

E———漸進速度系數;

F_d———相對密度系數;

F_Z———超壓縮因子;

F_T———流動溫度系數;

p₁———孔板上游取壓孔絕對靜壓,MPa;

3計量誤差分析[2]

3.1流出系數C對計量精度的影響

C是在上游直管段充分長的實驗條件下,并且孔板節流裝置在滿足規定的技術指標下進行校準標定,才是有效的。當雷諾數較小時,C會變大;當雷諾數較大時,C會變小。C隨著流量的增大而減小,實際流量越小于刻度流量,則C引起的流量誤差會越大。孔板流量計的C不是一個固定值,它隨雷諾數的變化而變化,但是當雷諾數增大到某一數值時,變化量減小。對于法蘭取壓,雷諾數應該在10⁶以上,對于角接取壓,雷諾數應在2×10⁵以上。

3.2被測介質實際物理性質的不確定度因素

3.2.1天然氣相對密度對流量計量的影響

從式(2)的推導中可知,天然氣流量值與1/dr的平方根成正比例變化,如果將相對密度dr作為一個獨立量看待,則當dr的不確定度為±0.5%時,由此引起的天然氣標準體積流量的不確定因素就為±0.25%,由此可見天然氣真實相對密度對流量計量的影響很大。dr的不確定度是由實際天然氣各有關物理參數確定、測量、分析的不確定度引起的。比如,實際空氣的組分偏離標準組分的偏離程度,各有關組分相對分子質量測量的不確定度。dr的確定方法可分為2類[4]:一是用真實相對密度計測量,例如浮力氣體天平、動量比重計、氣體密度計等;二是先利用氣分析儀器,分析出天然氣的全組分,然后根據天然氣組分計算出dr值。目前,中國普遍采用第2種方法,但由于壓力溫度的變化,dr并不是一個固定的值。采用在線色譜,及時檢測到組分的變化情況,可以提高計量精度。

3.2.2天然氣壓縮因子對流量計量的影響

流量計量結果是以工作狀態下的流量形式給出,由于各地工況不同,需將流量轉化為統一標準下的氣體流量。在壓力不太高、溫度不太低的情況下,可以按照理想氣體方程進行體積流量的換算。然而,實際氣體和理想氣體總是有一定差別的,尤其是在管道壓力較大或是溫度變化較大的情況下,狀態方程的各個量均發生了變化。天然氣壓縮系數的求解有以下方法:卡茨曲線圖求解法、卡茨表求解法、查《天然氣壓縮系數速查手冊》法。比較而言,后者能迅速、方便地求出壓縮系數,但誤差更大。卡茨表求解法最精確,但由于卡茨表的壓縮系數太少,當表內沒有對應數值,還需用內插法算出,使用較麻煩。

3.2.3可膨脹系數ε對流量計量的影響

ε是因氣體流經孔板時密度產生變化而引入的修正系數,這是流量誤差的一個重要來源。當天然氣流量低于設計流量時,實際的ε低于設計的ε,導致測量結果偏小,反之,測量結果偏大。當實際流量與設計流量一致,而靜壓p1低于設計壓力,實際的ε小于設計的ε,使流量測量偏大,反之偏小。

3.2.4脈動流對流量計量的影響

脈動流是由管道中氣體的流速和壓力發生突然變化造成的,它能引起差壓的波動,使記錄曲線變成一個寬帶。脈動流的起因有的是單一的,也有多個因素綜合的,如長輸管道的積液、天然氣壓縮機的使用、氣井間壓力的干擾、用戶用氣不均、供氣調壓閥開度的突然改變等均能引起差壓波動。穩定流動是節流裝置流量計算公式的基礎,當測量點有脈動現象時,穩定原理不能成立,因而影響測量精度。氣壓波動范圍越寬,測量誤差就越大,因此,為保證測量值準確,必須抑制脈動。

3.3儀器的設計及其安裝管理誤差分析

3.3.1儀器的設計誤差

儀器本身產生的誤差由于儀器本身的設計,安裝和使用過程中,某些結構發生了變化,導致測量參數的變化,從而影響了氣體測量準確度。主要表現在:孔板入口直角銳利度不夠,管徑尺寸與計算不符,孔板厚度誤差,節流附件產生臺階、偏心,孔板上游端面有劃痕和毛刺,環室尺寸產生臺階、偏心,取壓孔加工不規范或堵塞,焊喳,焊縫突出,節流件不同軸度。

3.3.2安裝管理誤差

安裝管理誤差如果不及時解決,會成為一個無法進行完全定性分析的潛在誤差源。安裝誤差具有普遍性,如現場的施工條件不能滿足直管段要求的長度,或管材不符合要求等。具體表現在:管路超長,彎折偏多,孔板變形,上游測量管沉積臟物造成管徑偏小,雷諾數范圍不符合標準規定,管道粗糙度影響,焊口錯位。管理上的誤差主要表現在:儀表的型號、孔板尺寸與流量不匹配,引壓管、平衡閥、差壓計各連接部位的滲漏,大氣溫度、管壁積液、結蠟的影響,人員操作錯誤。

3.4流量積算方法不當對計量的影響

標準孔板節流裝置與配置不同的二次測量儀表構成不同的流量積算方法。采用標準孔板流量計測量天然氣流量,其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等有關。如果流量測量系統沒有嚴格按計量標準要求配置相應的測量儀表,流量積算時氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化沒有得到完全補償,就會降低流量計準確度。

4提高孔板流量計計量精度的措施

根據天然氣計量產生誤差原因,筆者應從計量的不同環節采取不同的辦法來降低誤差或減少產生的因素。

4.1孔板流量的設計安裝上應嚴格符合技術標準

孔板設計安裝應嚴格按照SY/T6143-1996標準規定的各項技術指標,特別在安裝時,要根據孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段,一般應至少前30D。

4.2消除脈動流[4]

1)消除脈動源:采用吹掃、清管或低處安裝分液器來清除管線中的積液;2)在滿足計量能力的條件下,減小測量管內徑,提高差壓和孔徑比;3)采用短引壓管線,盡量減少引壓管線系統中的阻力件,并使上下游管線長度相等,以減少系統中產生諧振和壓力脈動振幅的增加;4)在測量點前入口處加裝調壓閥,穩定輸出壓力,或在測量管段前加裝緩沖罐,儲存和釋放氣體的能量,可有效地減少脈動現象對計量精度的影響;5)控制計量管段下流閥。

4.3量值溯源[4]

由于流量參數的動態性質,儀表準確度存在的較大問題之一是計量溯源性,量值溯源是確保天然氣計量準確度的有效措施。1)流量量值的原級標準是一種固定裝置,其特點與流量計有較大差別,不僅標準沒有移動性,它也無法實際反映流量參數的動態性質。如何在1臺流量計上把基本量綜合為導出量,目前仍是一個難點。2)當孔板節流裝置的一次裝置設計、制造、安裝、檢驗和使用完全符合SY/T6143-1996標準中1～7章的全部技術要求時,即可達到幾何和流體力學相似,在此基礎上可以執行單參數溯源,節流裝置部分用長度標準進行幾何尺寸干檢,壓力、溫度、時間或氣樣分析用各自的標準器具或標準樣氣進行檢驗,并將標準器與國家基準建立溯源鏈。3)對用于貿易計量的孔板流量計量裝置,建議流量計投入使用前或使用一段時間后,進行實流檢定或校準,以保證一次儀表的準確度。

4.4加強業務培訓,建立健全各項規章制度

加強職工的計量業務培訓,提高其技術水平和發現故障、解決問題的能力。做好系統的檢修、維護、保養工作,延長其使用壽命。建立健全各級計量管理責任制度、標準計量器具周期送檢和維護制度、工作儀表檢驗、調校和維修制度、計量設備和計量儀表的資料檔案管理制度等。至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點、儀表D/A轉換通道、核對流量計算程序,對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換,加強對天然氣生產情況的監測,及時消除誤差。

4.5推進計量方式的自動化、智能化發展[5]

隨著微傳感器和微計算機技術的不斷發展,天然氣計量已逐步向在線、實時、智能靠近,改進傳感器技術來提高天然氣計量精度非常有效,將測量傳感器和采集、儲存及傳輸數據用電子元件都集于一個模件的集成系統將成為標準系統。

總之,隨著天然氣輸送管線運行的不斷改進,現有的氣體測量技術一定會得到改進,對計算機技術的依賴程度會越來越大,發展的重點將會是發展經濟性好、精確度和可靠性高的測量系統。