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天然氣孔板流量計誤差分析與改進(jìn)
摘要:隨著(zhù)天然氣貿易的發(fā)展,對天然氣流量準確計量的要求越來(lái)越高。目前,孔板流量計仍是最主要的天然氣流量計。文章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(fā)展,要求對天然氣流量進(jìn)行更加準確的計量。由于孔板計量方式結構簡(jiǎn)單、投資少、計量精度較高,成為我國天然氣流量最主要的計量方式,在全國各大油田均有應用。據調查,石油天然氣行業(yè)采用孔板流量計作為貿易計量的約占95%以上�？装辶髁坑嬍峭ㄟ^(guò)測量安裝在管路中的同心孔板兩側差壓來(lái)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(dòng)連續性方程為理論依據,由標準節流裝置產(chǎn)生差壓,應用成熟、可靠的儀表進(jìn)行差壓、壓力、溫度測量,由流量積算儀或計算機控制系統進(jìn)行計算得到天然氣的流量。在實(shí)際工作中,由于計量?jì)x表誤差以及使用條件變化帶來(lái)的誤差往往使孔板流量計的精度不能達到要求。因此,找出引起誤差的因素,提出改進(jìn)措施對于提高天然氣計量精度具有重大意義。

1天然氣流量計算方法[1]

1.1天然氣體積流量計算基本公式天然氣體積流量計算基本公式為

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

1.2天然氣體積流量計算實(shí)用公式

天然氣體積流量計算實(shí)用公式為

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

2計量誤差分析

2.1流出系數C對計量精度的影響

流出系數C是在上游直管段充分長(cháng)的試驗條件下,并且孔板節流裝置在滿(mǎn)足規定的技術(shù)指標下進(jìn)行校準標定才有效。當Re較小時(shí),流出系數會(huì )變大,當Re較大時(shí),流出系數會(huì )變小。流出系數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C引起的流量誤差則越大�？装辶髁坑嫷牧鞒鱿禂�C不是一個(gè)定值,它隨Re的變化而變化,但是當Re增大到某一數值時(shí),變化量減小。對于法蘭取壓,Re應該在106以上,對于角接取壓,Re應在2×10⁵以上。

2.2被測介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)的不確定度因素

2.2.1天然氣相對密度對流量計量的影響

從式(2)的推導中可知(見(jiàn)參考文獻[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)獨立量看待,則當Gr的不確定度為±0.5%時(shí),由此引起的天然氣標準體積流量的不確定因素為±0.25%,可見(jiàn),天然氣真實(shí)相對密度Gr對流量計量的影響很大。Gr的不確定度是由實(shí)際天然氣各有關(guān)物理參數確定、測量、分析的不確定度引起的。比如,實(shí)際空氣的組分偏離標準組分的偏離程度,各有關(guān)組分分子量測量的不確定度。Gr的確定方法可分為2類(lèi)[3],一是用真實(shí)相對密度計測量,例如浮力氣體天平、動(dòng)量密度計、氣體密度計等;二是先利用氣分析儀分析出天然氣的全組分,然后根據天然氣組分計算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(xiàn)色譜及時(shí)檢測到組分的變化情況,可以提高計量精度。

2.2.2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(tài)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。天然氣壓縮系數的求解有卡茨曲線(xiàn)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,《速查手冊》能迅速、方便地計算出壓縮系數,但誤差更大�？ù谋碜罹�確,但由于卡茨表的壓縮系數太少,當表內沒(méi)有對應數值,還需用內插法算出,使用較麻煩。

2.2.3可膨脹系數ε對流量計量的影響

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,這是流量誤差的一個(gè)重要來(lái)源。當天然氣流量低于設計流量時(shí),實(shí)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(shí)際流量與設計流量一致,而靜壓p1低于設計壓力,實(shí)際的ε小于設計的ε,使流量測量偏大,反之偏小。

2.2.4脈動(dòng)流對流量計量的影響

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(xiàn)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(cháng)輸管道積液、天然氣壓縮機的使用、氣井之間壓力干擾、用戶(hù)用氣不均、供氣調壓閥開(kāi)度的突然改變等均能引起差壓波動(dòng)。穩定流動(dòng)是節流裝置流量計算公式的基礎,當測量點(diǎn)有脈動(dòng)現象時(shí),穩定原理不能成立,因而影響測量精度。氣壓波動(dòng)范圍越寬,測量誤差越大,所以,為保證測量值準確,必須抑制脈動(dòng)。

2.3儀器的設計安裝管理誤差分析

2.3.1儀器的設計誤差

儀器本身產(chǎn)生的誤差是由于儀器本身設計、安裝上和使用過(guò)程中,某些結構發(fā)生了變化,導致測量參數變化,從而影響了氣體的測量準確度。主要表現為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(chǎn)生臺階、偏心,孔板上游端面有劃痕和毛刺,環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心,取壓孔加工不規范或堵塞,焊接、焊縫突出,節流件不同軸度。

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(wú)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,如現場(chǎng)的施工條件不能滿(mǎn)足直管段要求的長(cháng)度或管材不符合要求等。具體表現為管路超長(cháng)、彎折偏多、孔板變形、上游測量管沉積臟物造成管徑偏小、Re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為儀表型號、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。

2.4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?jì)x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(guān)。如果流量測量系統沒(méi)有嚴格按計量標準要求配置相應的測量?jì)x表,流量積算時(shí)氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化沒(méi)有得到完全補償,就會(huì )降低流量計的準確度。

3提高孔板流量計計量精度的措施

3.1孔板流量的設計安裝應符合技術(shù)標準

孔板節流裝置的設計安裝應嚴格按照GB2624-81或SY/Y6143-1996標準規定的各項技術(shù)指標,特別在安裝時(shí),要根據孔板前阻力件形式配接足夠長(cháng)度的直管段,長(cháng)度至少為30d。當場(chǎng)地不允許時(shí),必須在孔板前的直管段上安裝整流器�？装迦肟诙嗣姹仨毰c管道線(xiàn)垂直,其偏差不能超過(guò)1°。安裝時(shí)孔板嚴禁反向。要正確使用和選擇壓差計,當壓差計工作量程在30%以下時(shí),必須及時(shí)更換壓差計的量程或孔板規格。法蘭β值應為0.20～0.75,角接β值應為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(xiàn)中脫出,采用吹掃、清管或低處安裝分液器來(lái)清除管線(xiàn)中的積液。

b)在滿(mǎn)足計量能力的條件下,減小測量管內徑,提高差壓和孔徑比。

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

d)在測量點(diǎn)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,抑制脈動(dòng)源引起的差壓波動(dòng),有效地減少脈動(dòng)現象對計量精度的影響。

e)控制計量管段下流閥。實(shí)踐證明,控制下流閥能有效抑制脈動(dòng)流,同時(shí)對各類(lèi)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)流量量值的原級標準是一種固定裝置,其特點(diǎn)與流量計有較大差別,不僅標準沒(méi)有移動(dòng)性,它也無(wú)法實(shí)際反映流量參數的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。如何在一臺流量計上把基本量綜合為導出量,目前仍是難點(diǎn)。

b)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(shù)要求時(shí),即可達到幾何和流體力學(xué)相似,在此基礎上可以執行單參數溯源,節流裝置部分用長(cháng)度標準進(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準器具或標準樣氣進(jìn)行檢驗,并將標準器與國家基準建立溯源鏈。

c)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(shí)間后,進(jìn)行實(shí)流檢定或校準,以保證一次儀表的準確度。

d)天然氣組成分析應采用GB/T13610規定的方法,標準氣體應選擇經(jīng)國家質(zhì)量技術(shù)監督局考核合格的、有合格證并標有不確定度的標準氣體,標準氣體準確度應不低于二級標準氣體(2.0%)。在條件許可的條件下,應開(kāi)展天然氣在線(xiàn)組成分析和物性參數的在線(xiàn)測定。

3.4加強業(yè)務(wù)培訓,建立健全各項規章制度

加強職工的計量業(yè)務(wù)培訓,提高其技術(shù)水平和發(fā)現故障、解決問(wèn)題的能力。做好系統的檢修、維護、保養工作,延長(cháng)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?jì)x表的資料檔案管理制度等。每月至少清洗檢測1次孔板,檢查儀表零點(diǎn)、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(shí)更換,加強對天然氣生產(chǎn)情況的監測,及時(shí)消除誤差。

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

隨著(zhù)微傳感器和微計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,天然氣計量已逐步向在線(xiàn)、實(shí)時(shí)、智能靠近,改進(jìn)傳感器技術(shù)來(lái)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(gè)模件的集成系統將成為標準系統,體積更小,功能更強,價(jià)格更便宜。隨著(zhù)天然氣輸送管線(xiàn)的不斷改進(jìn),現有的氣體測量技術(shù)應得到改進(jìn)。