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影響孔板流量計計量的問題與措施

【摘要】隨著世界石油天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展,天然氣貿(mào)易的頻繁,對天然氣的準(zhǔn)確計量要求越來越高。目前國內(nèi)孔板流量計在國內(nèi)占90%以上,而影響該流量計計量準(zhǔn)確度的因素很多。本文將從流體特性、儀表性能要求、安裝要求、環(huán)境條件方面闡述是如何影響計量準(zhǔn)確度的,以及解決或減少這些影響因素的措施。

前言

天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比例不斷上升,據(jù)統(tǒng)計1970年為17.7%,1980年為18.8%,1990年為21.5%,2000年為22.3%,預(yù)計2010年為24.3%。目前天然氣的年產(chǎn)量已達到2.3萬億m³,左右。天然氣的產(chǎn)區(qū)與其消費地區(qū)之間的距離就決定了此項能源的國際貿(mào)易量甚大,20世紀(jì)90年代以來此數(shù)字不斷上升,現(xiàn)已達到4200億m³/年,其中75%以上由管道輸送的,其余則為液化天然氣。我國是天然氣資源豐富的國家之一,天然氣遠景儲量約達38萬億m³,其中陸上占79%,海上占21%。天然氣的生產(chǎn)、利用過程是一個流程復(fù)雜、規(guī)模大、速度快且連續(xù)運行的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中,無論是在井場、集氣站、配氣站,還是在使用者家庭都可見到用于不同目的的各種流量測量儀表。其計量的準(zhǔn)確與否受到人們的普遍重視。因此計量的準(zhǔn)確度是選擇任何類型的流量計都必須考慮的重要指標(biāo)。在實際應(yīng)用中,影響流量計計量準(zhǔn)確度的因素很多,下面就幾個方面進行論述。

1目前孔板流量計計量中存在的問題

流量計量儀表品種多,計算模型五花八門,如標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、渦街流量計、漩渦流量計、超聲流量計等,除了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計外,缺乏必要的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范支持。

孔板流量計在20世紀(jì)初即使用于天然氣流量測量,經(jīng)過一個世紀(jì)漫長的發(fā)展過程,它已成為全世界最主要的天然氣流量計,據(jù)估計,目前在國外它約占60%,而在國內(nèi)占90%以上。美國AGA(美國氣體協(xié)會)3號報告(孔板流量計計量天然氣及其它烴類流體)就是針對天然氣計量的標(biāo)準(zhǔn),從1955年發(fā)布起已經(jīng)過多次修訂(1955年第一版,1969年第一版修訂,1985年第二版,1990一1992年第三版,2000年第四版),尤其是第三版有實質(zhì)性的修訂,它是在80年代國際上對孔板流量計進行大規(guī)模研究試驗的基礎(chǔ)上進行的,AGAN03總結(jié)了幾十項針對天然氣計量的專項研究,其中大部分的實驗介質(zhì)就是天然氣,可以說用孔板流量計測量天然氣流量已經(jīng)進行過非常深人細(xì)致的研究試驗,積累的實踐經(jīng)驗亦很豐富,在量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍,其標(biāo)志就是標(biāo)準(zhǔn)化,即使用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計,可以無須實校準(zhǔn)而確定信號(差壓)與流量的關(guān)系,估算其測量誤差,目前在全部流量計中它亦是唯一達到此標(biāo)準(zhǔn)的。

孔板流量計的主要特點為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制,簡單牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用期限長,價格低廉等,整套流量計由節(jié)流裝置,差壓變送器和流量顯示儀(或流量計算機)組成。它們可以分別由不同廠家生產(chǎn),易于形成規(guī)模生產(chǎn),經(jīng)濟效益高,各部分組合非常靈活,即使目前推出的一體化孔板流量計,亦可分開生產(chǎn),再靈活組裝。

但是孔板流量計一般由三部分組成:節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀。在現(xiàn)場惡劣的工作條件下,節(jié)流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線是使用維護的重點。《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法))(SY/6143一1996)中指出,天然氣從地層中開采出來,雖經(jīng)分離,除塵和過濾,因其所含成份十分復(fù)雜,從單井計算,集氣計量到配氣計量,氣體組分各不相同,所以節(jié)流裝置在使用中所受到的腐蝕亦各不同.特別對孔板直角人口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷、腐蝕尤為嚴(yán)重,這將影響孔板直角入口邊緣弧半徑kr和測量管內(nèi)壁的相對粗糙k/d的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),流出系數(shù)c將發(fā)生變化,流量測量不確定度超出估計數(shù)。輸出信號為模擬信號,重復(fù)性不高,對整套流量計的精確度影響因素多且錯綜復(fù)雜,因此精確度提高的難度很大。

1,1被測流體特性的影響

由于天然氣本身的性質(zhì),會隨著外界環(huán)境溫度的變化而發(fā)生復(fù)雜的變化,從而影響流量計的測量精度。對于天然氣的測量,必須首先確定天然氣的工作溫度和壓力,因為外界溫度的變化,會使天然氣本身的壓力和溫度也發(fā)生變化,都有可能造成過大的密度變化和壓縮系數(shù)變化。低密度氣體對某些測量方法呈現(xiàn)困難,此時就要改變所選擇的測量方法,或者作溫度和(或)壓力修正,以保證測量準(zhǔn)確準(zhǔn)確度。因此在評估流量計的適應(yīng)性時,要掌握氣體的溫度一粘度特性。雖然氣體的粘度因溫度和壓力變化的值一般較低,但是對流量計量的精確度還是有一定的影響。

在礦場計量中或測量含有雜質(zhì)的天然氣時,雜質(zhì)會腐蝕儀表接觸件,使接觸表面結(jié)垢或析出結(jié)晶,將減少活動部件的間隙,從而改變流量計使用性能參數(shù),降低敏感元件的靈敏度或測量性能,影響計量精度。

對于油田溫氣(伴生氣),其中含有大量的飽和水蒸氣,在溫度降低時會有水凝結(jié);分離不凈的濕氣含有油滴或油污,屬于臟污介質(zhì);間斷計量,將有油、水沉積在管線內(nèi);它們屬于多組分流動,計量時應(yīng)謹(jǐn)待。經(jīng)驗表明,單相通用流量儀表用于多組分或多相流體,測量性能會改變(或大幅度改變)。單相流動的氣體有時也會呈現(xiàn)雙相,例如濕氣中水微粒隨著天然氣流動,環(huán)境溫度或天然氣壓力偏離原定狀態(tài),儀表就有可能不適應(yīng)。測量氣液雙相流時盡可能采用分離后分相測量,以保證最小測量不確定度,然而對有些場合這種方法不切實可行或不符合要求。

1.2儀表性能的影響

孔板流量計本身引起的誤差原因主要有:孔板人口直角銳利度;管徑尺寸與計算不符;孔板厚度誤羞節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏心以孔板上游端面平度;環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心;取壓位置;焊接、焊縫突出;取壓孔加工不規(guī)范或堵塞;節(jié)流件不同軸度等等。這些因素都有可能影響孔板的重復(fù)性,重復(fù)性是由儀器本身原理與制造質(zhì)量所決定,它在過程控制應(yīng)用中是重要的指標(biāo)。而精確度除取決于重復(fù)性外,尚與量值標(biāo)定系統(tǒng)有關(guān)。在實際應(yīng)用中,儀表優(yōu)良的重復(fù)性被許多因素包括流體粘度、密度等變化所干擾,都會影響測量精度。若儀表輸出特性是非線性的,則這種影響更為突出。

流量儀表輸出主要有線性和平方根非線性兩種。大部分流量儀表的非線性誤差不列出單獨指標(biāo),而包含在基本誤差內(nèi)。然而對于寬流量范圍脈沖輸出用作總量積算的儀表,線性度是一個重要指標(biāo),使有可能在流量范圍內(nèi)用同一個儀表常數(shù),線性度差就要降低儀表精確度。

應(yīng)用于脈動流動場所應(yīng)注意儀表對流動階躍變化的響應(yīng)。有些使用場所要求儀表輸出跟隨流動變化,而另一些為獲得綜合平均只要求有較慢響應(yīng)的輸出。瞬態(tài)響應(yīng)(transientresponse)常以時間常數(shù)或響應(yīng)頻率表示,其值前者從幾毫秒到幾秒,后者在數(shù)百赫茲以下,配用顯示儀表可能相當(dāng)大地延長響應(yīng)時間。Redmemedloc認(rèn)為儀表的流量上升和下降動態(tài)響應(yīng)不對稱會急劇增加測量誤差。

1.3流量計安裝的影響

管線布置的偏離,管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的,其產(chǎn)生的主要原因是現(xiàn)場不能滿足直管段要求的長度。

天然氣流量計只有安裝到管道上才能對天然氣進行計量,在安裝時首先應(yīng)考慮管道的布置和天然氣的流動方向,有些雖然是能雙向工作的儀表,在安裝時也要考慮正向和反向之間測量性能是否存在差異。

許多現(xiàn)場不能滿足孔板流量計直管段要求的長度,管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性存在的。

大部分流量計儀表或多或少會受進口流動狀況的影響,因而必須保證良好流動狀況。輸送管道上安裝的定排量泵、往復(fù)式壓縮機、振蕩著的閥或調(diào)節(jié)器等都是常見的脈動源,上游管道布置和阻流件會引起流動擾動,另外管道直徑上和方向上的急劇改變等不良布置,都會產(chǎn)生脈動。流量計來不及跟隨記錄脈動流動,帶來測量誤差。因此應(yīng)考慮在儀表前后管道安裝支撐件。雖然脈動緩沖器可清除或減小泵或壓縮機的影響,然而流量計還是盡可能避開振動或振動源為好。

流量計的信號輸出顯示有流量(體積流量或質(zhì)量流量)、總量、平均流速、點流速幾種,亦可分為模擬量(電流或電壓)和脈沖量。目前大部分儀表系統(tǒng),在儀表上或其附近結(jié)合著電子設(shè)備。儀表(設(shè)備)的輸出信號容易受大功率電源影響,大功率電源不僅會使儀表輸出脈沖波動,還會影響儀表工作性能,如電磁流量計的磁場被畸變,影響測量精度。因此電氣連接應(yīng)有抗雜散電平干擾的能力,并且信號電纜應(yīng)盡可能遠離電力電纜和電力源,將電磁干擾和射頻干擾降至最低水平,否則將影響信號的傳輸。另外流量計的安裝除了考慮以上的幾點因素,有時安裝還取決于流體物性。

1.4環(huán)境條件方面的影響

雖然流量計安裝能正常使用了,但因所使用環(huán)境條件與預(yù)期的情況發(fā)生了改變,使儀表的一些性能參數(shù)和硬件方面也隨之發(fā)生了改變,從而會改變流量計測量結(jié)果。例如:環(huán)境溫度或介質(zhì)溫度的急劇變化引起濕度方面的問題。高濕度會加速大氣腐蝕和電解腐蝕并降低電氣絕緣,低濕度則容易感生靜電。

儀表的電子部件和某些儀表流量檢測部分會受環(huán)境溫度變化影響。例如,儀表尺寸變化,通過儀表殼體傳熱改變流體密度和粘度等,影響到顯示儀表電子元件時,將降低測量準(zhǔn)確度。

同時影響孔板流量計計量的因素還有氣體雷諾數(shù)范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、管道粗糙度影響,管道粗糙度增加,管道粗糙度變化不定等等。

2解決孔板流量計計量問題的途徑

2.1,加強管理,提高人員素質(zhì)

孔板流量計易于偏離標(biāo)準(zhǔn)的原因在于儀表本身的工作原理與結(jié)構(gòu)特點,儀器自身誤差是制造時產(chǎn)生的,安裝和使用誤差則是在安裝時或長期使用中由于流體介質(zhì)腐蝕、磨損、沽污等造成的。因此,應(yīng)嚴(yán)格按技術(shù)要求安裝流量計量系統(tǒng),消除安裝誤差。在使用過程中,操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護、保養(yǎng)工作,延長其使用壽命,減小計量誤差。同時,在實際應(yīng)用中應(yīng)強化宣貫SY/T6143一19%標(biāo)準(zhǔn)力度�！短烊粴饬髁康臉�(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》(SY/6143一1996)中提到了減少誤差的方法。如附錄《節(jié)流安置在使用中出現(xiàn)部分偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理》中規(guī)定在實際應(yīng)用中采取在流出系數(shù)c中增加二個修正系數(shù),即孑L板人口尖銳度修正系數(shù)和管壁粗糙修正系數(shù)或者采用可換孔板節(jié)流裝置。因此在天然氣計量的實際應(yīng)用中應(yīng)深人研究,吃透《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法))(SY/T6143一1996)的精髓,嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安裝、使用、處理數(shù)據(jù),保證天然氣計量的準(zhǔn)確性。

2.2測量儀表的正確選用

測量儀表應(yīng)首選標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,當(dāng)流量變化范圍大時要考慮用寬量程智能差變,其它類型檢測儀表在相應(yīng)的計量天然氣的標(biāo)準(zhǔn)出前臺,應(yīng)慎重選用,二次儀表的計量模型應(yīng)符合SY/T6143一19%的要求計算Fz能輸入組份,實時計算c值。

2.3加強技術(shù)培訓(xùn),借鑒國外經(jīng)驗

引進、消化、吸收近幾年發(fā)展起來的天然氣計量新技術(shù)。從國外情況來看,在天然氣國際貿(mào)易中,能量計量幾乎已全面取代傳統(tǒng)的體積計量,而我國的天然氣計量領(lǐng)域中體積計量仍占統(tǒng)制地位。為了盡快與國際接軌,使用單位可以與各科研究院所聯(lián)合攻關(guān),開展天然氣能量計量的試驗工作,并在此基礎(chǔ)上完成標(biāo)準(zhǔn)化。為了加快試驗進度,建議引進國外先進的在線氣相氣色譜系統(tǒng)和流量計算機,在消化引進技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展適合我國國情的天然氣能量計量系統(tǒng)。