如何提高孔板流量计的计量精度
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。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测量。由于孔板计量方式结构简单,投资少,计量精度较高,它成为了国内天然气流量最主要的计量方式,在全国各大油田均有广泛的应用。据调查,石油天然气行业采用孔板流量计作贸易计量的约占95%以上。
1孔板流量计组成与原理
孔板流量计是通过测量安装在管路中的同心孔板两侧的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、可靠的仪表设备进行差压、压力、温度的测量,由流量积算仪或计算机控制系统进行计算得到天然气流量。
2天然气流量计算方法[1]
2.1天然气体积流量计算基本公式
式中qVn———标准状态下天然气体积流量,m3/s;
C———流出系数;
β———直径比;
ε———可膨胀系数;
d———孔板开孔直径,mm;
Δp———节流件前后的压差,Pa;
ρ1———天然气在上游工况条件下的密度,kg/m3;
ρn———天然气标准状态下的密度,kg/m3
2.2天然气体积流量计算实用公式
式中As———秒计量系数,视采用计量单位而定,此式As=3.1794×10-6;
E———渐进速度系数;
Fd———相对密度系数;
FZ———超压缩因子;
FT———流动温度系数;
p1———孔板上游取压孔绝对静压,MPa;
3计量误差分析[2]
3.1流出系数C对计量精度的影响
C是在上游直管段充分长的实验条件下,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,才是有效的。当雷诺数较小时,C会变大;当雷诺数较大时,C会变小。C随着流量的增大而减小,实际流量越小于刻度流量,则C引起的流量误差会越大。孔板流量计的C不是一个固定值,它随雷诺数的变化而变化,但是当雷诺数增大到某一数值时,变化量减小。对于法兰取压,雷诺数应该在106以上,对于角接取压,雷诺数应在2×105以上。
3.2被测介质实际物理性质的不确定度因素
3.2.1天然气相对密度对流量计量的影响
从式(2)的推导中可知,天然气流量值与1/dr的平方根成正比例变化,如果将相对密度dr作为一个独立量看待,则当dr的不确定度为±0.5%时,由此引起的天然气标准体积流量的不确定因素就为±0.25%,由此可见天然气真实相对密度对流量计量的影响很大。dr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,各有关组分相对分子质量测量的不确定度。dr的确定方法可分为2类[4]:一是用真实相对密度计测量,例如浮力气体天平、动量比重计、气体密度计等;二是先利用气分析仪器,分析出天然气的全组分,然后根据天然气组分计算出dr值。目前,中国普遍采用第2种方法,但由于压力温度的变化,dr并不是一个固定的值。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。
3.2.2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。在压力不太高、温度不太低的情况下,可以按照理想气体方程进行体积流量的换算。然而,实际气体和理想气体总是有一定差别的,尤其是在管道压力较大或是温度变化较大的情况下,状态方程的各个量均发生了变化。天然气压缩系数的求解有以下方法: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,后者能迅速、方便地求出压缩系数,但误差更大。卡茨表求解法最精确,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。
3.2.3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。
3.2.4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。脉动流的起因有的是单一的,也有多个因素综合的,如长输管道的积液、天然气压缩机的使用、气井间压力的干扰、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,测量误差就越大,因此,为保证测量值准确,必须抑制脉动。
3.3仪器的设计及其安装管理误差分析
3.3.1仪器的设计误差
仪器本身产生的误差由于仪器本身的设计,安装和使用过程中,某些结构发生了变化,导致测量参数的变化,从而影响了气体测量准确度。主要表现在: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,焊喳,焊缝突出,节流件不同轴度。
3.3.2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。具体表现在: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,雷诺数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在:仪表的型号、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。
3.4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,就会降低流量计准确度。
4提高孔板流量计计量精度的措施
根据天然气计量产生误差原因,笔者应从计量的不同环节采取不同的办法来降低误差或减少产生的因素。
4.1孔板流量的设计安装上应严格符合技术标准
孔板设计安装应严格按照SY/T6143-1996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,一般应至少前30D。
4.2消除脉动流[4]
1)消除脉动源:采用吹扫、清管或低处安装分液器来清除管线中的积液;2)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;3)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;4)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,可有效地减少脉动现象对计量精度的影响;5)控制计量管段下流阀。
4.3量值溯源[4]
由于流量参数的动态性质,仪表准确度存在的较大问题之一是计量溯源性,量值溯源是确保天然气计量准确度的有效措施。1)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1台流量计上把基本量综合为导出量,目前仍是一个难点。2)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1～7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。3)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。
4.4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。至少每月一次清洗检测孔板、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。
4.5推进计量方式的自动化、智能化发展[5]
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。
总之,随着天然气输送管线运行的不断改进,现有的气体测量技术一定会得到改进,对计算机技术的依赖程度会越来越大,发展的重点将会是发展经济性好、精确度和可靠性高的测量系统。
