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天然气孔板流量计误差分析与改进
关键字:天然气孔板流量计,孔板流量计,流量计    日期:2019-3-11 9:06:29

摘要:随着天然气贸易的发展,对天然气流量准确计量的要求越来越高。目前,孔板流量计仍是最主要的天然气流量计。文章综合分析了影响孔板流量计计量精度的主要因素,提出了提高孔板流量计计量精度的有效措施。

天然气管道的迅速发展,要求对天然气流量进行更加准确的计量。由于孔板计量方式结构简单、投资少、计量精度较高,成为我国天然气流量最主要的计量方式,在全国各大油田均有应用。据调查,石油天然气行业采用孔板流量计作为贸易计量的约占95%以上。孔板流量计是通过测量安装在管路中的同心孔板两侧差压来计算流量的一种检测设备。它由节流装置、差压计、压力计和温度计等组成。它以能量守恒定律和流动连续性方程为理论依据,由标准节流装置产生差压,应用成熟、可靠的仪表进行差压、压力、温度测量,由流量积算仪或计算机控制系统进行计算得到天然气的流量。在实际工作中,由于计量仪表误差以及使用条件变化带来的误差往往使孔板流量计的精度不能达到要求。因此,找出引起误差的因素,提出改进措施对于提高天然气计量精度具有重大意义。

1天然气流量计算方法[1]

1.1天然气体积流量计算基本公式天然气体积流量计算基本公式为


式中,Qn为标准状态下天然气体积流量,m3/s;C为流出系数;β为直径比;ε为可膨胀系数;d为孔板开孔直径,mm;Δp为节流件前后压差,Pa;ρ为天然气在上游工况条件下的密度,kg/m3;ρn为天然气在标准状态下的密度,kg/m3;

1.2天然气体积流量计算实用公式

天然气体积流量计算实用公式为


式中,As为秒计量系数,视采用计量单位而定,As=3.1794×10-6;E为渐进速度系数;FG为相对密度系数;FZ为超压缩因子;FT为流动温度系数;p1为孔板上游取压孔绝对静压,MPa

2计量误差分析

2.1流出系数C对计量精度的影响

流出系数C是在上游直管段充分长的试验条件下,并且孔板节流装置在满足规定的技术指标下进行校准标定才有效。当Re较小时,流出系数会变大,Re较大时,流出系数会变小。流出系数C随流量的增大而减小,实际流量越小于刻度流量,流出系数C引起的流量误差则越大。孔板流量计的流出系数C不是一个定值,它随Re的变化而变化,但是当Re增大到某一数值时,变化量减小。对于法兰取压,Re应该在106以上,对于角接取压,Re应在2×105以上。

2.2被测介质实际物理性质的不确定度因素

2.2.1天然气相对密度对流量计量的影响

从式(2)的推导中可知(见参考文献[2]),天然气流量值与1/Gr的平方根成正比例变化,如果将Gr作为一个独立量看待,则当Gr的不确定度为±0.5%,由此引起的天然气标准体积流量的不确定因素为±0.25%,可见,天然气真实相对密度Gr对流量计量的影响很大。Gr的不确定度是由实际天然气各有关物理参数确定、测量、分析的不确定度引起的。比如,实际空气的组分偏离标准组分的偏离程度,各有关组分分子量测量的不确定度。Gr的确定方法可分为2[3],一是用真实相对密度计测量,例如浮力气体天平、动量密度计、气体密度计等;二是先利用气分析仪分析出天然气的全组分,然后根据天然气组分计算Gr值。目前,我国普遍采用第2种方法,但由于压力温度的变化,Gr并不是一个定值。采用在线色谱及时检测到组分的变化情况,可以提高计量精度。

2.2.2天然气压缩因子对流量计量的影响

流量计量结果是以工作状态下的流量形式给出,由于各地工况不同,需将流量转化为统一标准下的气体流量。在压力不高、温度不低的情况下,可以按照理想气体方程进行体积流量换算。然而,实际气体和理想气体总有一定差别,尤其是在管道压力较大或是温度变化较大的情况下,气体并不遵循理想气体状态方程。天然气压缩系数的求解有卡茨曲线图求解法、卡茨表求解法、查《天然气压缩系数速查手册》法。比较而言,《速查手册》能迅速、方便地计算出压缩系数,但误差更大。卡茨表最精确,但由于卡茨表的压缩系数太少,当表内没有对应数值,还需用内插法算出,使用较麻烦。

2.2.3可膨胀系数ε对流量计量的影响

ε是因气体流经孔板时密度产生变化而引入的修正系数,这是流量误差的一个重要来源。当天然气流量低于设计流量时,实际的ε低于设计的ε,导致测量结果偏小,反之,测量结果偏大。当实际流量与设计流量一致,而静压p1低于设计压力,实际的ε小于设计的ε,使流量测量偏大,反之偏小。

2.2.4脉动流对流量计量的影响

脉动流是由管道中气体的流速和压力发生突然变化造成的,它能引起差压的波动,使记录曲线变成一个宽带。引起脉动流的起因有单一的,也有多个因素综合的,如长输管道积液、天然气压缩机的使用、气井之间压力干扰、用户用气不均、供气调压阀开度的突然改变等均能引起差压波动。稳定流动是节流装置流量计算公式的基础,当测量点有脉动现象时,稳定原理不能成立,因而影响测量精度。气压波动范围越宽,测量误差越大,所以,为保证测量值准确,必须抑制脉动。

2.3仪器的设计安装管理误差分析

2.3.1仪器的设计误差

仪器本身产生的误差是由于仪器本身设计、安装上和使用过程中,某些结构发生了变化,导致测量参数变化,从而影响了气体的测量准确度。主要表现为孔板入口直角锐利度不够,管径尺寸与计算不符,孔板厚度误差,节流附件产生台阶、偏心,孔板上游端面有划痕和毛刺,环室尺寸产生台阶、偏心,取压孔加工不规范或堵塞,焊接、焊缝突出,节流件不同轴度。

2.3.2安装管理误差

安装管理误差如果不及时解决,会成为一个无法进行完全定性分析的潜在误差源。安装误差具有普遍性,如现场的施工条件不能满足直管段要求的长度或管材不符合要求等。具体表现为管路超长、弯折偏多、孔板变形、上游测量管沉积脏物造成管径偏小、Re范围不符合标准规定、管道粗糙度影响、焊口错位。管理上的误差主要表现为仪表型号、孔板尺寸与流量不匹配,引压管、平衡阀、差压计各连接部位的渗漏,大气温度、管壁积液、结蜡的影响,人员操作错误。

2.4流量积算方法不当对计量的影响

标准孔板节流装置与配置不同的二次测量仪表构成不同的流量积算方法。采用标准孔板流量计测量天然气流量,其流量值与天然气组分、差压、压力、温度等有关。如果流量测量系统没有严格按计量标准要求配置相应的测量仪表,流量积算时气体压力、温度和天然气组分的变化没有得到完全补偿,就会降低流量计的准确度。

3提高孔板流量计计量精度的措施

3.1孔板流量的设计安装应符合技术标准

孔板节流装置的设计安装应严格按照GB2624-81SY/Y6143-1996标准规定的各项技术指标,特别在安装时,要根据孔板前阻力件形式配接足够长度的直管段,长度至少为30d。当场地不允许时,必须在孔板前的直管段上安装整流器。孔板入口端面必须与管道线垂直,其偏差不能超过1°。安装时孔板严禁反向。要正确使用和选择压差计,当压差计工作量程在30%以下时,必须及时更换压差计的量程或孔板规格。法兰β值应为0.200.75,角接β值应为0.40.6[3]

3.2消除脉动流[4]

a)消除脉动源,将天然气中的水分最大限度地从管线中脱出,采用吹扫、清管或低处安装分液器来清除管线中的积液。

b)在满足计量能力的条件下,减小测量管内径,提高差压和孔径比。

c)采用短引压管线,尽量减少引压管线系统中的阻力件,并使上下游管线长度相等,以减少系统中产生谐振和压力脉动振幅的增加。

d)在测量点前入口处加装调压阀,稳定输出压力,或在测量管段前加装缓冲罐,储存和释放气体的能量,抑制脉动源引起的差压波动,有效地减少脉动现象对计量精度的影响。

e)控制计量管段下流阀。实践证明,控制下流阀能有效抑制脉动流,同时对各类脉动源引起的压差波动都有抑制作用。

3.3量值溯源

a)流量量值的原级标准是一种固定装置,其特点与流量计有较大差别,不仅标准没有移动性,它也无法实际反映流量参数的动态性质。如何在一台流量计上把基本量综合为导出量,目前仍是难点。

b)当孔板节流装置的一次装置设计、制造、安装、检验和使用完全符合SY/T6143-1996标准中17章的全部技术要求时,即可达到几何和流体力学相似,在此基础上可以执行单参数溯源,节流装置部分用长度标准进行几何尺寸干检,压力、温度、时间或气样分析用各自的标准器具或标准样气进行检验,并将标准器与国家基准建立溯源链。

c)对用于贸易计量的孔板流量计量装置,建议流量计投入使用前或使用一段时间后,进行实流检定或校准,以保证一次仪表的准确度。

d)天然气组成分析应采用GB/T13610规定的方法,标准气体应选择经国家质量技术监督局考核合格的、有合格证并标有不确定度的标准气体,标准气体准确度应不低于二级标准气体(2.0%)。在条件许可的条件下,应开展天然气在线组成分析和物性参数的在线测定。

3.4加强业务培训,建立健全各项规章制度

加强职工的计量业务培训,提高其技术水平和发现故障、解决问题的能力。做好系统的检修、维护、保养工作,延长其使用寿命。建立健全各级计量管理责任制度,标准计量器具周期送检和维护制度,工作仪表检验、调校和维修制度,计量设备和计量仪表的资料档案管理制度等。每月至少清洗检测1次孔板,检查仪表零点、仪表D/A转换通道,核对流量计算程序,对有坑蚀及划痕的孔板应及时更换,加强对天然气生产情况的监测,及时消除误差。

3.5推进计量方式的自动化智能化发展[56]

随着微传感器和微计算机技术的不断发展,天然气计量已逐步向在线、实时、智能靠近,改进传感器技术来提高天然气计量精度非常有效,将测量传感器和采集、储存及传输数据用电子元件都集于一个模件的集成系统将成为标准系统,体积更小,功能更强,价格更便宜。随着天然气输送管线的不断改进,现有的气体测量技术应得到改进。

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