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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(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。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)確的測量。由于孔板計量方式結(jié)構(gòu)簡單,投資少,計量精度較高,它成為了國內(nèi)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(yīng)用。據(jù)調(diào)查,石油天然氣行業(yè)采用孔板流量計作貿(mào)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(cè)的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、可靠的儀表設(shè)備進(jìn)行差壓、壓力、溫度的測量,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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量,m3/s;

C———流出系數(shù);

β———直徑比;

ε———可膨脹系數(shù);

d———孔板開孔直徑,mm;

Δp———節(jié)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(shù),視采用計量單位而定,此式As=3.1794×10^-6;

E———漸進(jìn)速度系數(shù);

F_d———相對密度系數(shù);

F_Z———超壓縮因子;

F_T———流動溫度系數(shù);

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(shù)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(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,才是有效的。當(dāng)雷諾數(shù)較小時,C會變大;當(dāng)雷諾數(shù)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(shù)的變化而變化,但是當(dāng)雷諾數(shù)增大到某一數(shù)值時,變化量減小。對于法蘭取壓,雷諾數(shù)應(yīng)該在10⁶以上,對于角接取壓,雷諾數(shù)應(yīng)在2×10⁵以上。

3.2被測介質(zhì)實際物理性質(zhì)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(dǎo)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(dú)立量看待,則當(dāng)dr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(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)組分相對分子質(zhì)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(jù)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(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。在壓力不太高、溫度不太低的情況下,可以按照理想氣體方程進(jìn)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(tài)方程的各個量均發(fā)生了變化。天然氣壓縮系數(shù)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(shù)速查手冊》法。比較而言,后者能迅速、方便地求出壓縮系數(shù),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(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。

3.2.3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。

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(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。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(jī)的使用、氣井間壓力的干擾、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(diǎn)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,測量誤差就越大,因此,為保證測量值準(zhǔn)確,必須抑制脈動。

3.3儀器的設(shè)計及其安裝管理誤差分析

3.3.1儀器的設(shè)計誤差

儀器本身產(chǎn)生的誤差由于儀器本身的設(shè)計,安裝和使用過程中,某些結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,導(dǎo)致測量參數(shù)的變化,從而影響了氣體測量準(zhǔn)確度。主要表現(xiàn)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(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,焊喳,焊縫突出,節(jié)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(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)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(shù)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)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(jié)蠟的影響,人員操作錯誤。

3.4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,就會降低流量計準(zhǔn)確度。

4提高孔板流量計計量精度的措施

根據(jù)天然氣計量產(chǎn)生誤差原因,筆者應(yīng)從計量的不同環(huán)節(jié)采取不同的辦法來降低誤差或減少產(chǎn)生的因素。

4.1孔板流量的設(shè)計安裝上應(yīng)嚴(yán)格符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

孔板設(shè)計安裝應(yīng)嚴(yán)格按照SY/T6143-1996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,一般應(yīng)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(nèi)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(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;4)在測量點(diǎn)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,可有效地減少脈動現(xiàn)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(shù)的動態(tài)性質(zhì),儀表準(zhǔn)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(zhǔn)確度的有效措施。1)流量量值的原級標(biāo)準(zhǔn)是一種固定裝置,其特點(diǎn)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1臺流量計上把基本量綜合為導(dǎo)出量,目前仍是一個難點(diǎn)。2)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。3)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。

4.4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。至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點(diǎn)、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。

4.5推進(jìn)計量方式的自動化、智能化發(fā)展[5]

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)。

總之,隨著天然氣輸送管線運(yùn)行的不斷改進(jìn),現(xiàn)有的氣體測量技術(shù)一定會得到改進(jìn),對計算機(jī)技術(shù)的依賴程度會越來越大,發(fā)展的重點(diǎn)將會是發(fā)展經(jīng)濟(jì)性好、精確度和可靠性高的測量系統(tǒng)。