随着我国天然气工业的不断发展, 天然气流量计量既是天然气供需双方贸易结算的依据, 又是生产部门用气效率的技术指标。天然气流量的准确计量是与供需双方经济效益密切相关的问题, 因此天然气供需企业都很重视天然气计量工作, 十分注意计量的准确度。20 世纪初, 标准孔板流量计就应用于天然气流量测量, 目前已成为最主要的天然气流量计。据统计, 目前在国外孔板流量计约占天然气流量计的60% , 而在国内占90% 以上。孔板流量计的主要特点为结构简单, 加工安装方便, 性能稳定可靠, 使用期限长, 价格低廉等。可以分别由不同厂家生产, 易于形成规模, 经济效益高, 各部分组合非常灵活, 但是孔板流量计也存在一些缺点, 主要包括输出信号为模拟信号, 重复性不高, 测量范围窄, 压损大, 现场安装条件要求高。针对标准孔板流量计存在的问题, 分析影响测量准确度的主要因素, 提出了提高标准孔板流量计测量准确度的具体措施。
一、影响标准孔板流量计测量准确度的因素
标准孔板流量计由标准孔板节流装置与测量差压、温度及相关参数的二次测量仪表、信号引线组成标准孔板流量计计量系统组成。正常情况下, 测量准确度能满足sy/ t 6143 .. 1996《天然气流量的标准孔板计量方法》标准的要求。在实际计量工作中, 影响天然气流量测量准确度有以下几种因素。
1、.. 天然气实际流动状态对计量的影响
根据sy/ t 6143 .. 1996《天然气流量的标准孔板计量方法》规定, 气流通过节流装置的流动必须是保持亚音速稳定的或仅随时间缓慢变化的单相牛顿流体。在气流流经孔板前, 其流束必须与管道轴线平行, 不得有旋转流, 特别不适用于脉动流的流量测
量。但是在现场使用中, 实际流动状态根本达不到这种理想的实验室的参比条件要求, 由于气井产水、压缩机的增压、用户不均匀用气、输气管道中未设置集液器、聚集在管道低处的天然气凝液不均匀流动、调压阀性能不稳、阀心弹动以及分离器放液阀的开关等干扰因素, 都会使计量管道中出现脉动流或涡流。从试验中发现, 在孔板上游40d 的直管段产生涡流, 会使流量值示值低9%〔1〕。
2、.. 标准孔板节流装置偏离标准的影响
孔板流量计的流出系数c 是在上游直管段充分长的实验室的参比条件下, 即孔板节流装置在满足规定的技术指标下进行校准标定的, 应做到几何尺寸相似和流体力学相似, 才具有其计量的特性曲线。当孔板前后的直管段长度、孔板和孔板夹持器未达到标准要求时, 特别是孔板入口直角尖锐度和测量管内壁粗糙度达不到标准要求时, 都会引起气流流态的畸变而使流出系数c 值改变, 从而影响流量计准确度。据文献[ 1] 可知, 对于小孔径孔板, 入口边缘只要有轻微的磨圆就会引起流量测量值5% 的负偏差, 严重磨蚀和中等沾污的孔板也会引起12% 的负偏差。
3、.. 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。流量测量系统未能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未能得到*补偿, 从而造成流量计准确度下降。
4、.. 计量管理对计量的影响
由计量现场调查和历年来的经验表明, 计量过程中没有严格执行计量管理规程中要求定期维修和检验, 会造成计量准确度下降。如节流装置没有定期地进行检查清洗, 孔板取压装置严重污染, 孔板迎流面污物堆积, 使计量结果偏低, 附加误差无法估计; 计量旁路管道阀门内漏, 使计量值偏低; 计量检测器具使用和维护不当, 造成测量参数的附加误差等。同时在流量各参数的测量和计算过程中有意或无意地渗进了人为因素, 造成不同程度的倾向性计量, 在校准、取值和计算过程中都向已方有利方面倾斜, 这无形中扩大了流量测量的不确定度。
二、提高标准孔板流量计准确度的措施
标准孔板流量计流量测量的准确度除取决于标准孔板节流装置的设计、加工制造、检验、安装和使用维护外, 还取决于合理的仪表配置和选型、计量工况条件、流量积算方法和计量技术管理水平等。为了提高标准孔板流量计的准确度, 可采取以下措施。
1、.. 标准孔板节流装置的制造与安装
利用标准孔板流量计测量天然气流量必须严格按照sy/ t 6143 .. 1996 标准规定的各项技术指标, 对标准孔板节流装置进行设计、加工制造、检验、安装和使用。特别是孔板直角入口边缘尖子度和测量管内壁粗糙度的加工和检验; 孔板前后直管段长度
的保证, 直管段圆度、台阶以及孔板与测量管同轴度的保证。另外, 开发统一的标准孔板流量计的设计软件, 可提高节流装置设计和仪表选型的技术水平。
2、.. 采用可换孔板装置与定值节流装置
可换孔板节流装置是一种新型节流装置, 节流元件精确地安装在固定的座体内( 座体通过法兰与管道连接) , 在不拆动管道或不停止流体输送的情况下, 可方便地提升孔板, 进行检查、清洗或更换, 从保证了计量准确度。采用液压升降的装置, 孔板提升轻便, 特别适用于大口径孔板。这种节流装置还配有清洗室和清洗机构, 为解决污垢介质, 特别是单井天然气的准确计量提供了有效手段。定值节流装置改变了现有节流装置根据计算结果加工其孔径的方法, 对每种通径测量管道配以有限数量的节流件, 孔径系列按优先数系选用, 每种通径配3~ 5 种不同孔径比..值的孔板。目前节流装置设计犹如量体裁衣, 定值节流装置则变成成衣选用, 采用定值节流装置有利于产品批量生产, 降低生产成本, 方便选用和使用, 便于监督生产。可换孔板节流装置和定值孔板相配套, 将改变传统的生产式, 实现了节流装置产品系列化、通用化和标准化, 有利于提高标准孔板装置计量的准确度〔2〕。标准孔板存在的缺点是入口直角锐利度易在流体冲刷下发生钝化。据估计, 钝化严重的可能使流出系数偏移1% ~ 2% , 钝化后其流出系数较为稳定, 这在流量计算中给孔板入口直角锐利度的精确修正带来很大的困难。标准喷嘴的流出系数是稳定的, 另外, 在同样流量和相同..值时喷嘴的压力损失只有孔板的30% 。影响标准喷嘴推广使用的主要原因是喷嘴制造成本高, 在标准中喷嘴的流出系数不确定度较大( 约2%) 。采用定值节流件, 专用加工设备实现批量生产, 降低生产成本, 而个别校准则可得到高精确度的流出系数, 在天然气流量测量中用喷嘴代替孔板, 其优点是明显的。
3、.. 应用合理的流量积算方案
根据天然气计量工况条件和用户对计量精度的要求, 应采用对压力、温度和天然气组分变化对流量自动部分补偿或全补偿的积算方案, 计量系统测量仪表配备和精度的选用应符合《天然气计量系统技术要求》。用智能差压变送器、压力变送器、温度变送器和流量计算机组成在线检测系统, 使温度和压力变化得到补偿, 可以提高测量准确度, 降低流态脉动( 或波动) 引起的流量测量附加误差。孔板流量计量程比一般为1 .. 3, 而实际测量天然气流量变化有时会超过这个范围。在这种情况下, 其测量准确度显著下降, 如果采用定值节流装置, 宽量程智能差压变送器与流量计算机配套使用, 可方便地扩展流量量程或迁移量程, 进而实现传统标准孔板流量计的智能化。
4、.. 采取有效措施减小脉动流的影响
在实际计量管路过程中, 由于许多原因促使气流脉动, 用标准孔板流量计测量有脉动流存在的天然气流量会带来难以估计的附加误差, 而目前可采取以下措施降低脉动流对计量准确度的影响。
( 1) 利用缓冲装置衰减脉动。
( 2) 选用计量管道内径缩小的缩管测量方法, 使孔径比.. 和差压..p 都在高雷诺数范围内进行测量。
( 3) 采用短引压管道减少引压管道系统中的阻力条件。
( 4) 采用自动清管系统, 将管道中的游离液体清除, 将孔板节流装置安装于远离脉动源的有利位置。
5、.. 定期进行量值溯源
要确保标准孔板流量计的准确度必须进行量值溯源, 溯源方式可以是单参数量值溯源( 如长度、压力、温度、时间、质量和气分析等) , 也可以是单参数量值和天然气流量量值的双重溯源。在设计天然气计量站时, 应根据不同规模测量系统的准确度要求, 考虑如何向*标准( 基准) 装置的溯源问题。对于天然气流量测量系统的准确度要求高于或等于.. 1% , 只采用单参数量值溯源链是不够的, 必须采用标准流量计( 或装置) 作为溯源( 或量传) 媒介( 或称次级标准) , 建立起与国家天然气流量一级标准( 基准) 装置流量值的溯源链, 定期通过次级标准向*标准( 基准) 进行天然气流量测量系统流量值的溯源。
6、.. 建立健全各项规章制度
加强计量管理, 建立健全各项规章制度, 严格执行计量法规, 是确保孔板流量计测量天然气流量准确度的关键。按照gb/ t 18603 .. 2001《天然气计量系统技术要求》标准, 统一孔板流量计测量系统按照不同规模规定的测量系统配置二次测量仪表, 从
设计开始, 经施工、验收、投产、操作和维护等都按统一的技术要求执行, 使天然气流量测量、流量积算方法、流量计算程序软件都在严格的技术要求控制中, 抓好全面质量管理, 才能确保流量测量的准确度。严格按照sy/ t 6143 .. 1996 标准, 编制.. 流量
计算值的检验标准程序.., 对各种不同的流量积算方法计算出的流量值进行严格的检验。对标准孔板流量计测量系统进行流量测量不确定度评估, 其测量系统总的流量测量不确定度应低于允许误差。完善计量管理制度, 制订一项与sy/ t 6143 .. 1996
标准配套切合实际需要的孔板流量计操作使用和管理规程。其内容包括, 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。
在认真贯彻执行sy/ t 6143 .. 1996 标准及其有关的计量标准的同时, 应有各项计量管理规程和管理制度与之配套, 加强计量技术人员培训, 提高计量人员的技术管理水平。
三、结.. 论
按照sy/ t6143 .. 1996 标准规定对标准孔板节流装置进行设计、制造、检验和安装, 开发统一标准孔板流量计设计和仪表选型计算软件, 采用可换孔板装置与定值节流装置, 应用合理的流量积算方案, 按照gb/ t 18603 .. 2001《天然气计量系统技术要
求》规定, 对计量系统进行仪表配备和选用, 采取有效措施减小脉动流的影响, 定期进行量值溯源, 加强计量管理和计量技术人员培训, 建立和完善各项计量规章制度, 必将有效提高标准孔板流量计测量准确度。