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天然氣孔板流量計誤差分析與改進(jìn)
摘要:隨著天然氣貿(mào)易的發(fā)展,對天然氣流量準(zhǔn)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。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(zhǔn)確的計量。由于孔板計量方式結(jié)構(gòu)簡單、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(yīng)用。據(jù)調(diào)查,石油天然氣行業(yè)采用孔板流量計作為貿(mào)易計量的約占95%以上�？装辶髁坑嬍峭ㄟ^測量安裝在管路中的同心孔板兩側(cè)差壓來計算流量的一種檢測設(shè)備。它由節(jié)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(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、溫度測量,由流量積算儀或計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行計算得到天然氣的流量。在實際工作中,由于計量儀表誤差以及使用條件變化帶來的誤差往往使孔板流量計的精度不能達(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(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天然氣體積流量計算實用公式

天然氣體積流量計算實用公式為

式中,As為秒計量系數(shù),視采用計量單位而定,As=3.1794×10-6;E為漸進(jìn)速度系數(shù);FG為相對密度系數(shù);FZ為超壓縮因子;FT為流動溫度系數(shù);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(shù)C對計量精度的影響

流出系數(shù)C是在上游直管段充分長的試驗條件下,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,流出系數(shù)會變大,當(dāng)Re較大時,流出系數(shù)會變小。流出系數(shù)C隨流量的增大而減小,實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�？装辶髁坑嫷牧鞒鱿禂�(shù)C不是一個定值,它隨Re的變化而變化,但是當(dāng)Re增大到某一數(shù)值時,變化量減小。對于法蘭取壓,Re應(yīng)該在106以上,對于角接取壓,Re應(yīng)在2×10⁵以上。

2.2被測介質(zhì)實際物理性質(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(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作為一個獨立量看待,則當(dāng)Gr的不確定度為±0.5%時,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,天然氣真實相對密度Gr對流量計量的影響很大。Gr的不確定度是由實際天然氣各有關(guān)物理參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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[3],一是用真實相對密度計測量,例如浮力氣體天平、動量密度計、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(jù)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并不是一個定值。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。

2.2.2天然氣壓縮因子對流量計量的影響

流量計量結(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》法。比較而言,《速查手冊》能迅速、方便地計算出壓縮系數(shù),但誤差更大�？ù谋碜罹�確,但由于卡茨表的壓縮系數(shù)太少,當(dāng)表內(nèi)沒有對應(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對流量計量的影響

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

2.2.4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(fā)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。引起脈動流的起因有單一的,也有多個因素綜合的,如長輸管道積液、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。穩(wěn)定流動是節(jié)流裝置流量計算公式的基礎(chǔ),當(dāng)測量點有脈動現(xiàn)象時,穩(wěn)定原理不能成立,因而影響測量精度。氣壓波動范圍越寬,測量誤差越大,所以,為保證測量值準(zhǔn)確,必須抑制脈動。

2.3儀器的設(shè)計安裝管理誤差分析

2.3.1儀器的設(shè)計誤差

儀器本身產(chǎn)生的誤差是由于儀器本身設(shè)計、安裝上和使用過程中,某些結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,導(dǎo)致測量參數(shù)變化,從而影響了氣體的測量準(zhǔn)確度。主要表現(xiàn)為孔板入口直角銳利度不夠,管徑尺寸與計算不符,孔板厚度誤差,節(jié)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(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解決,會成為一個無法進(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(xiàn)為管路超長、彎折偏多、孔板變形、上游測量管沉積臟物造成管徑偏小、Re范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、管道粗糙度影響、焊口錯位。管理上的誤差主要表現(xiàn)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(jié)蠟的影響,人員操作錯誤。

2.4流量積算方法不當(dāng)對計量的影響

標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置與配置不同的二次測量儀表構(gòu)成不同的流量積算方法。采用標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)沒有嚴(yán)格按計量標(biāo)準(zhǔn)要求配置相應(yīng)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(bǔ)償,就會降低流量計的準(zhǔn)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(shè)計安裝應(yīng)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

孔板節(jié)流裝置的設(shè)計安裝應(yīng)嚴(yán)格按照GB2624-81或SY/Y6143-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項技術(shù)指標(biāo),特別在安裝時,要根據(jù)孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段,長度至少為30d。當(dāng)場地不允許時,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管道線垂直,其偏差不能超過1°。安裝時孔板嚴(yán)禁反向。要正確使用和選擇壓差計,當(dāng)壓差計工作量程在30%以下時,必須及時更換壓差計的量程或孔板規(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消除脈動流[4]

a)消除脈動源,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)在滿足計量能力的條件下,減小測量管內(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,并使上下游管線長度相等,以減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動振幅的增加。

d)在測量點前入口處加裝調(diào)壓閥,穩(wěn)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,抑制脈動源引起的差壓波動,有效地減少脈動現(xiàn)象對計量精度的影響。

e)控制計量管段下流閥。實踐證明,控制下流閥能有效抑制脈動流,同時對各類脈動源引起的壓差波動都有抑制作用。

3.3量值溯源

a)流量量值的原級標(biāo)準(zhǔn)是一種固定裝置,其特點與流量計有較大差別,不僅標(biāo)準(zhǔn)沒有移動性,它也無法實際反映流量參數(shù)的動態(tài)性質(zhì)。如何在一臺流量計上把基本量綜合為導(dǎo)出量,目前仍是難點。

b)當(dāng)孔板節(jié)流裝置的一次裝置設(shè)計、制造、安裝、檢驗和使用完全符合SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn)中1～7章的全部技術(shù)要求時,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)流裝置部分用長度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸干檢,壓力、溫度、時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,并將標(biāo)準(zhǔn)器與國家基準(zhǔn)建立溯源鏈。

c)對用于貿(mào)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(jìn)行實流檢定或校準(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)的在線測定。

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

加強(qiáng)職工的計量業(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,延長其使用壽命。建立健全各級計量管理責(zé)任制度,標(biāo)準(zhǔn)計量器具周期送檢和維護(hù)制度,工作儀表檢驗、調(diào)校和維修制度,計量設(shè)備和計量儀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、儀表D/A轉(zhuǎn)換通道,核對流量計算程序,對有坑蝕及劃痕的孔板應(yīng)及時更換,加強(qiáng)對天然氣生產(chǎn)情況的監(jiān)測,及時消除誤差。

3.5推進(jìn)計量方式的自動化智能化發(fā)展[5～6]

隨著微傳感器和微計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,天然氣計量已逐步向在線、實時、智能靠近,改進(jìn)傳感器技術(shù)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(shù)據(jù)用電子元件都集于一個模件的集成系統(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)有的氣體測量技術(shù)應(yīng)得到改進(jìn)。