摘 要：差壓式孔板流量計(jì)目前仍是我國(guó)進(jìn)行天然氣流量計(jì)量的主導(dǎo)流量計(jì),截至2004年7月氣田應(yīng)用該型流量計(jì)總量近300套。SY/T6143-1996“天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法”標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為,天然氣流量測(cè)量不確定度主要由3個(gè)方面引起:流量計(jì)算方程描述流動(dòng)狀態(tài)真實(shí)性的不確定因素;被測(cè)介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)的不確定度因素;測(cè)量中重要設(shè)備的不確定度因素。為此,從以上3個(gè)方面對(duì)差壓式孔板流量計(jì)進(jìn)行了不確定度研究和實(shí)驗(yàn),包括流出系數(shù)、孔板技術(shù)指標(biāo)的變化對(duì)天然氣流量的影響,可膨脹系數(shù)、二次儀表的不確定度、天然氣組分變化、天然氣含水對(duì)天然氣流量的影響,并就這些誤差因素分別從節(jié)流裝置的選擇、脈動(dòng)流的改善、規(guī)范各項(xiàng)規(guī)章制度、建立量值溯源體系等方面提出了建議。
我國(guó)天然氣流量計(jì)量目前仍以差壓式孔板流量計(jì)為主,僅氣田目前就有近300套。由于孔板流量計(jì)的誤差影響因素較多,往往造成計(jì)量不確定度增大。通過(guò)在氣田近幾年的使用與研究,在孔板流量計(jì)的誤差研究方面積累了一些使用經(jīng)驗(yàn),提出了相應(yīng)的對(duì)策予以改善或消除,以期對(duì)同行有所裨益。
一、誤差來(lái)源分析
天然氣流量測(cè)量中的不確定度主要來(lái)源于以下3個(gè)方面:①流量計(jì)算方程中描述流體流動(dòng)狀態(tài)的真實(shí)性不確定度因素;②被測(cè)介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)(物性因素)的不確定度因素;③測(cè)量中重要設(shè)備的不確定度因素。
針對(duì)以上3方面因素做具體分析如下。
1.流量計(jì)算方程中描述流體流動(dòng)狀態(tài)的真實(shí)性
的不確定度因素
(1)流出系數(shù)C
計(jì)算公式為:
(1)流出系數(shù)C是在上游直管段充分長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)條件下,并且孔板節(jié)流裝置在滿(mǎn)足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)下進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定的,才具有計(jì)量特性。
當(dāng)氣流流束在孔板前1D處完全充滿(mǎn)管道,且為紊流狀態(tài)時(shí),流出系數(shù)C的百分誤差為:
設(shè)有一套法蘭取壓的孔板測(cè)量裝置,D=50mm,設(shè)計(jì)β=0.5刻度流量時(shí)的ReD0=1×106,設(shè)ReD1=2×104、ReD2=5×104、ReD3=1×105、ReD4=1×107、ReD5=1×108、ReD6=1×108,經(jīng)過(guò)查表或計(jì)算得出C0=0.6034;C1～C6見(jiàn)表1,δ=(Ci-C0)/C0。
(2)由上例可以看出:當(dāng)速度剖面較充分發(fā)展的速度剖面尖時(shí)(雷諾數(shù)小),流出系數(shù)會(huì)變大,當(dāng)速度剖面較充分發(fā)展的速度剖面平時(shí)(雷諾數(shù)大),流出系數(shù)會(huì)變小。流出系數(shù)C隨著流量的增大而減小,實(shí)際流量越小于刻度流量,則流出系數(shù)C引起的流量誤差會(huì)越大。
(3)孔板流量計(jì)的流出系數(shù)C不是一個(gè)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(shí),變化量減小。對(duì)于法蘭取壓,雷諾數(shù)應(yīng)該在106以上,對(duì)于角接取壓,雷諾數(shù)應(yīng)在2×105以上。
流量測(cè)量不確定度中和流出系數(shù)有關(guān)的相關(guān)項(xiàng)為孔板開(kāi)孔直徑,大小為δd/d=±0.07%,測(cè)量管直徑,大小為δD/D=±0.4%,β值允許0.75≥β≥0.2。據(jù)公式計(jì)算出C的變化范圍為:±0.0197%～±0.1791%。
2.孔板粗糙度、銳利度、平整度的影響
SY/T6143-1996對(duì)孔板的直角入口做了嚴(yán)格的規(guī)定,即:無(wú)卷口、無(wú)毛邊、無(wú)目測(cè)可見(jiàn)的異常現(xiàn)象,并且是尖銳的直角,若邊緣形成圓弧,其圓弧半徑rk≤0.0004d,孔板開(kāi)孔內(nèi)圓柱面與孔板上游端面垂直,誤差小于±1°,粗糙度高度參數(shù)Ra≤0.0004d,且不影響尖銳度測(cè)試。
對(duì)于孔板性能對(duì)流量的影響,做過(guò)相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn):分別取DN100mm的標(biāo)準(zhǔn)孔板,編號(hào)為GKF75761,經(jīng)檢測(cè)其rk為0.05mm(允許值小于等于0.04mm),GKF78790其粗糙度高度參數(shù)為Ra為45μm(允許值小于等于40μm)。編號(hào)為GKF75007的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求的孔板進(jìn)行一相對(duì)穩(wěn)定的氣流測(cè)量,測(cè)試中將不符合規(guī)格孔板放在氣井單量裝置,標(biāo)準(zhǔn)孔板放入氣井外輸裝置,忽略裝置之間的差異,某單井一天天然氣流量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)表明,忽略氣流的微小波動(dòng),對(duì)于rk超差的不合格孔板其計(jì)量誤差范圍為-2.81%～3.14%,Ra超差的不合格孔板計(jì)量誤差為-2.58%～2.72%,若rk、Ra超差嚴(yán)重則氣量偏差更大,甚至可達(dá)到10%。
3.被測(cè)介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)的不確定度因素
(1)標(biāo)準(zhǔn)中要求流經(jīng)天然氣的流體為氣流必須是單相的牛頓流體。若氣體含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)2%的固體或液體微粒,且呈均勻分散狀態(tài),也可被認(rèn)為是單相的牛頓流體。
在實(shí)際使用中,從井口到計(jì)量管線的過(guò)程中,天然氣通常攜帶一定量的水、脫水劑和凝結(jié)液。這些液體來(lái)自分離效果差的分離器和負(fù)荷大的脫水單元,當(dāng)流動(dòng)溫度和壓力變化時(shí),氣體中的重?zé)N組分也會(huì)凝析出來(lái)。
實(shí)驗(yàn)為將經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)計(jì)量的天然氣在通過(guò)注水管注水后用孔板流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。其結(jié)論為:①用孔板流量計(jì)測(cè)量氣體流量,當(dāng)氣體中夾帶少量液體時(shí),流量測(cè)量不確定度偏高,測(cè)量的濕氣流量隨β的增加而減少,在β比為0.7時(shí),測(cè)得的流量偏差為-1.7%;②當(dāng)夾帶少量液體時(shí),在β比為0.5時(shí)表明孔板性能較好,但是應(yīng)將夾帶液體在孔板上游脫出,以獲得最佳的計(jì)量性能;③用舊的孔板流量計(jì)測(cè)量濕氣,流量計(jì)量值將降低3%。
這項(xiàng)研究結(jié)果說(shuō)明,天然氣在進(jìn)入計(jì)量裝置以前,如果要獲得非常好的計(jì)量性能,應(yīng)完全脫除天然氣中所含的水分,對(duì)于日處理氣量近百萬(wàn)立方米的集氣站,這一點(diǎn)非常重要。
2)可膨脹系數(shù)(ε)
式中:κ表示等熵指數(shù)。
可膨脹系數(shù)的百分誤差為:(±4Δp/p1)%。由于誤差系數(shù)的影響,如被測(cè)系統(tǒng)壓力低到4Δp/p1可以和β比較,被測(cè)系統(tǒng)壓力將直接影響到測(cè)試正確率。當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)壓力為高壓系統(tǒng)時(shí),可以忽略該項(xiàng)誤差。目前在天然氣計(jì)量中差壓一般在500～50000Pa范圍內(nèi),靜壓在1～10MPa范圍內(nèi)。因此ε的誤差最小為±0.0002%,最大為±0.2%(甚至?xí)?。
(3)天然氣相對(duì)密度的影響
密度參數(shù)是天然氣測(cè)量中極為重要的物性參數(shù),密度測(cè)量的不確定度對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的不確定度有著很大影響,目前國(guó)內(nèi)普遍采用測(cè)量氣流壓力、氣流溫度和定時(shí)取樣得到氣流全組分,由于壓力溫度的波動(dòng),天然氣的相對(duì)密度并不是一個(gè)固定值。密度不確定度估算公式為:
根據(jù)計(jì)量條件估算密度帶來(lái)的不確定度:當(dāng)儀表精度較低且運(yùn)行在下限時(shí),不確定度為±1.818%;反之不確定度則在±0.793%,由此可見(jiàn)密度在流量測(cè)量中至關(guān)重要。所以為了準(zhǔn)確進(jìn)行天然氣計(jì)量,選用在線氣相色譜儀進(jìn)行組分在線分析是十分必要的。氣田在向北京、陜西、寧夏以及西氣東輸供氣的外貿(mào)計(jì)量裝置上均采用了在線色譜,平均5min采樣分析一次,能夠及時(shí)檢測(cè)到組分的變化情況,提高了計(jì)量精度。
4.測(cè)量中重要設(shè)備的不確定度因素
該項(xiàng)不確定度因素主要體現(xiàn)在孔板β比選擇方面、還包括二次儀表的不確定度:
(1)β比選擇
根據(jù)SY/T6143-1996中的體積流量不確定度公式為：
據(jù)式(4)可以計(jì)算出直徑比β與流量不確定度δQn/Qn的關(guān)系如表3所示。
由表3可以看出,當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下,直徑比β的變化對(duì)測(cè)量不確定度的影響是很大的,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,操作人員常根據(jù)氣量的變化來(lái)更換不同內(nèi)徑的孔板來(lái)滿(mǎn)足使用要求,此時(shí),直徑比成了影響正確率的主要可變因素。β與流量測(cè)量綜合不確定度的關(guān)系如圖1所示。結(jié)論為:不確定度基本隨著β增減而增減,當(dāng)β小于0.6時(shí),不確定度的變化很小,基本為一條直線;隨著β的增大,不確定度迅速增大,當(dāng)β=0.75時(shí),不確定度達(dá)到最大。
(2)二次儀表的不確定度
由于目前天然氣計(jì)量大多采用計(jì)算機(jī)智能化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理A/D轉(zhuǎn)換精度高,量化誤差的影響可以忽略,差壓、壓力、溫度的測(cè)量由于大量精度智能化變送器的應(yīng)用使二次儀表對(duì)整個(gè)流量系統(tǒng)的誤差成為了非主要影響因素。
1)壓力儀表測(cè)量誤差:主要由壓力測(cè)量?jī)x表的精度引起(儀表正確率受溫度變化影響)。采用3051T型變送器在5.0MPa工作,溫度變化在30℃左右。
溫度影響:±0.15%;
最終精度為:ζ=±0.225%(儀表校驗(yàn)誤差為±0.075%)。
2)差壓儀表測(cè)量誤差:主要由儀表精度、儀表安裝位置、導(dǎo)壓管引起。采用3051CD型變送器在5.0MPa工作,溫度變化在30℃左右。
溫度影響:±0.075%;
靜壓力影響:±0.15%;
安裝位置可通過(guò)零點(diǎn)調(diào)整予以消除。
其最終精度為:ζ=±0.30%(儀表校驗(yàn)誤差為±0.075%);
導(dǎo)壓管引起誤差為:±0.2%;
總體差壓誤差為:±0.36%。
3)溫度儀表測(cè)量誤差:主要由儀表精度和安裝位置正確性影響。
溫度儀表精度為:ζ=±0.5%。
安裝位置的影響在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)忽略不計(jì)。
(3)計(jì)量條件下天然氣流量測(cè)量的不確定度假定流量測(cè)量裝置為理想狀態(tài),已知條件:天然氣外輸測(cè)量管D20=205mm;d20=103.76mm;p=4.50MPa;Δpmax=54kPa;溫度計(jì)上限為50℃,正確率為0.2級(jí),壓力、差壓變送器正確率為0.1級(jí)。據(jù)式(4)則有不確定度為:
二、控制誤差提高計(jì)量正確率的方法
因?yàn)樘烊粴饬髁繙y(cè)量計(jì)算的不確定度是在其他影響因素都不存在附加誤差的情況下計(jì)算得到的,但是使用中由于各種原因會(huì)帶來(lái)一定的附加誤差,這是需要消除的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,提出以下控制方法及建議。
1.孔板節(jié)流裝置必須符合標(biāo)準(zhǔn)
孔板節(jié)流裝置在使用前的安裝中應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)安裝設(shè)計(jì),根據(jù)孔板前阻力件形式配接足夠長(zhǎng)度的直管段,一般應(yīng)至少前30D,氣田在開(kāi)發(fā)初期部分集氣站因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因流量計(jì)直管段長(zhǎng)度為前10D后5D,造成天然氣計(jì)量輸差達(dá)到±5%～±8%,分析原因后經(jīng)過(guò)技術(shù)改造,計(jì)量管段改為前30D后10D,使計(jì)量輸差降低到±1.5%。
2.氣流中存在脈動(dòng)流的改善措施
天然氣從地層中采集后經(jīng)節(jié)流、分離、凈化后一般能達(dá)到均勻單相的牛頓流體,在天然氣計(jì)量中由于各種原因使天然氣脈動(dòng),可以采取以下措施減小脈動(dòng)流的影響。
(1)在滿(mǎn)足計(jì)量能力的條件下,應(yīng)選擇內(nèi)徑較小的測(cè)量管,使Δp、β在比較高的雷諾數(shù)下運(yùn)行。
(2)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(zhǎng)度相等,以減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動(dòng)振幅的增加。
(3)從管線中除去游離液體,管線中的積液引起的脈動(dòng)可以采用自動(dòng)清管系統(tǒng)或低處安裝分液器來(lái)處理。
為使天然氣具有最佳的計(jì)量性能,應(yīng)將天然氣中的水分徹底脫出。
3.加強(qiáng)計(jì)量管理、建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度
嚴(yán)格貫徹執(zhí)行SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn),確保裝置完全符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度,如定期維護(hù)制度、周期送檢制度,加強(qiáng)對(duì)天然氣生產(chǎn)情況的監(jiān)測(cè),及時(shí)消除誤差。
在差壓式孔板流量計(jì)日常使用過(guò)程中,要確保準(zhǔn)確的計(jì)量,還應(yīng)至少每月一次清洗檢測(cè)孔板、檢查儀表零點(diǎn)、儀表D/A轉(zhuǎn)換通道、核對(duì)流量計(jì)算程序,對(duì)有坑蝕及劃痕的孔板應(yīng)及時(shí)更換。氣田根據(jù)氣質(zhì)的凈化程度,規(guī)定集氣站每月清洗檢查一次孔板,貿(mào)易交接計(jì)量孔板每半月和用戶(hù)一起檢查清洗一次,同時(shí)還配備孔板綜合測(cè)試儀定期對(duì)孔板進(jìn)行幾何尺寸檢定,使集氣站單井計(jì)量輸差能有效控制在±1.5%以?xún)?nèi),貿(mào)易計(jì)量輸差在±1.0%以?xún)?nèi)。
4.量值溯源是確保天然氣計(jì)量正確率的有效措施
(1)當(dāng)孔板節(jié)流裝置的一次裝置設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)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(shí),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(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸干檢,壓力、溫度、時(shí)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(yàn),并將標(biāo)準(zhǔn)器與國(guó)家基準(zhǔn)建立溯源鏈。
(2)對(duì)用于貿(mào)易計(jì)量的孔板流量計(jì)量裝置,建議流量計(jì)投入使用前或使用一段時(shí)間后,進(jìn)行實(shí)流檢定或校準(zhǔn),以保證一次儀表的正確率。
(3)天然氣組成分析應(yīng)采用GB/T13610規(guī)定的方法進(jìn)行,標(biāo)準(zhǔn)氣體應(yīng)選擇經(jīng)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局考核合格的、有合格證并標(biāo)有不確定度的標(biāo)準(zhǔn)氣體,標(biāo)氣正確率應(yīng)不低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氣體(2.0%)。在條件許可的條件下,應(yīng)開(kāi)展天然氣在線組成分析和物性參數(shù)的在線測(cè)定。
三、結(jié)束語(yǔ)
客觀地講,在采用孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量時(shí),如果對(duì)差壓式孔板流量計(jì)的一次裝置(孔板節(jié)流裝置)和二次儀表(差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數(shù)計(jì)量器具等)配套儀表的選擇、設(shè)計(jì)、安裝、使用都嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,并在受控狀態(tài)下使用時(shí),其流量測(cè)量正確率是可以控制在±1%～±1.5%范圍內(nèi)的。
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