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天然氣孔板流量計誤差分析與改進
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。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展,要求對天然氣流量進行更加準確的計量。由于孔板計量方式結構簡單、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用。據調查,石油天然氣行業采用孔板流量計作為貿易計量的約占95%以上。孔板流量計是通過測量安裝在管路中的同心孔板兩側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、可靠的儀表進行差壓、壓力、溫度測量,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到要求。因此,找出引起誤差的因素,提出改進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,視采用計量單位而定,As=3.1794×10-6;E為漸進速度系數;FG為相對密度系數;FZ為超壓縮因子;FT為流動溫度系數;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的試驗條件下,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有效。當Re較小時,流出系數會變大,當Re較大時,流出系數會變小。流出系數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C引起的流量誤差則越大。孔板流量計的流出系數C不是一個定值,它隨Re的變化而變化,但是當Re增大到某一數值時,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被測介質實際物理性質的不確定度因素

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作為一個獨立量看待,則當Gr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。在壓力不高、溫度不低的情況下,可以按照理想氣體方程進行體積流量換算。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方程。天然氣壓縮系數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。卡茨表最精確,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。

2.2.3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。

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、天然氣壓縮機的使用、氣井之間壓力干擾、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,測量誤差越大,所以,為保證測量值準確,必須抑制脈動。

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

儀器本身產生的誤差是由于儀器本身設計、安裝上和使用過程中,某些結構發生了變化,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,長度至少為30d。當場地不允許時,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,必須及時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。

d)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,抑制脈動源引起的差壓波動,有效地減少脈動現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。如何在一臺流量計上把基本量綜合為導出量,目前仍是難點。

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。

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間后,進行實流檢定或校準,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,標準氣體應選擇經國家質量技術監督局考核合格的、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,應開展天然氣在線組成分析和物性參數的在線測定。

3.4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。每月至少清洗檢測1次孔板,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。

3.5推進計量方式的自動化智能化發展[5～6]

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,體積更小,功能更強,價格更便宜。隨著天然氣輸送管線的不斷改進,現有的氣體測量技術應得到改進。