流量計孔徑比對天然氣輸差的影響

 1.輸差的概念

    輸差是指平衡商品天然氣中間計量與交接計量之間流量的差值。計算公式為：

         （1）

    式中：Q₅——某一時間輸氣管道內(nèi)平衡輸氣量之差值，m³；

    Q₁——同一時間內(nèi)的輸入氣量，m³；

    Q₂——同一時間內(nèi)的輸出氣量，m³；

    Q₃——同一時間內(nèi)輸氣單位的生產(chǎn)、生活用氣量，m³；

    Q₄——同一時間內(nèi)放空氣量，m³；

    V₁——計量時間開始時，管道計算段內(nèi)的儲存氣量，m³；

    V₂——計量時間終了時，管道計算段內(nèi)的儲存氣量，m³。

    相對輸差計算公式為：

       （2）

    式中：η——相對輸差，%。

    輸差的大小是衡量一個企業(yè)計量交接工作是否正常的重要數(shù)據(jù)，通常對于輸差要確定一個控制標準（一般參照±0.35%執(zhí)行）。若計量輸差超出控制標準，將會造成成品油交接計量的無序發(fā)展，引起內(nèi)部經(jīng)濟效益的流失。因此進行油氣的輸差控制與分析對提高企業(yè)效益、降低成本具有十分重要的意義。

    按物質(zhì)不滅定律，只要輸送管道無泄漏，輸差應該等于零，然而，由于量值是用儀表測量出來的，有測量就會有誤差；另外，由于壓力的變化，管內(nèi)存儲會發(fā)生變化，從而造成輸人、輸出的量值產(chǎn)生差值。   

    輸差的存在有著客觀和主觀兩方面的原因?？陀^上的原因是來自儀器儀表、測量、化驗等方面的誤差及正常的途耗，另外是流量計卡堵及管線跑冒滴漏。主觀原因主要來自人員失誤、不規(guī)范計量行為、計算錯誤等粗大誤差，甚至偷盜行為和弄虛作假行為。

    2 孔板流量計對輸差的影響

圖1 孔板流量計示意圖

圖2 孔板流量計安裝示意圖

    孔板流量計又稱為差壓式流量計，是由一次檢測件（節(jié)流件）和二次裝置（差壓變送器和流量顯示儀）組成，見圖1和圖2。廣泛應用于氣體、蒸汽和液體的流量測量。具有結構簡單，維修方便，性能穩(wěn)定，使用可靠等特點。

    根據(jù)誤差理論，標準孔板配二次儀表組成的流量計量系統(tǒng)的誤差由隨機誤差、已定系統(tǒng)誤差、未定系統(tǒng)誤差三部分組成。由于天然氣的原始計量結果是取多次測量的平均值，根據(jù)誤差理論可知，在測量次數(shù)足夠多的情況下，可以忽略測量產(chǎn)生的隨機誤差。對于已定系統(tǒng)誤差，一般在測量中力求對已定系統(tǒng)誤差作修正處理，所以理論分析討論計量裝置的誤差實際上只考慮儀表本身帶來的未定系統(tǒng)誤差。

    未定系統(tǒng)誤差的大小可以用流量測量的不確定度來計算。根據(jù)SY？6143-1996可知，流量測量的不確定度相當于標準偏差的兩倍，因此，求出流量測量的不確定度，就可以得到測量系統(tǒng)的標準偏差。

    標準孔板流量計系統(tǒng)體積流量計算公式為：

    

    式中：Q_n——標準狀態(tài)下天然氣體積流量，m³/s；

    ρ_n——天然氣在標準狀態(tài)下的密度，kg/m³；

    ρ₁——天然氣在流動狀態(tài)下上游取壓孔處的密度，kg/m³；

    Gr——標準狀態(tài)下天然氣的相對密度；

    Za——干空氣在標準狀態(tài)下的壓縮因子；Zn——天然氣在標準狀態(tài)下的壓縮因子；

    Z1——天然氣在實測狀態(tài)下的壓縮因子；

    Ma——干空氣的相對分子質(zhì)量；R——通用氣體常數(shù)；    

    C——流出系數(shù)；

    β——孔徑比，β=d/D；

    Δp——孔板前后差壓，Pa；

    Î——流束膨脹系數(shù)。

    天然氣體積流量的測量不確定度按下式計算：

    

    式中：——流出系數(shù)的不確定度，±0.6%；   

    ——測量管內(nèi)徑的不確定度，±0.4%；

    ——可膨脹系數(shù)的不確定度，±4

    ——孔板開孔直徑的不確定度，±0.0.7%；

    ——天然氣流動時上游的壓力測量的不確定度；

    ——差壓測量的不確定度；

    ——天然氣相對密度測量的不確定度，±0.5%；

    ——天然氣壓縮因子測量的不確定度，±0.5%；

    ——天然氣流動熱力學溫度測量的不確定度。

    3　CFD軟件模擬

    目前國內(nèi)天然氣的計量大多采用的是孔板流量計，其原理見圖3。該流量計的測量精度能夠滿足SY/T6143—1996標準的要求，但在實際的生產(chǎn)中，由于節(jié)流裝置的設計、制造安裝以及使用條件不符合標準的要求，或者儀表選擇不當，影響了孔板流量計的實際測量精度。   

圖3　孔板流量計原理圖

    利用CFD通用軟件PHOENICS，對輸差現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。圖4即為建立的物理模型，圖5為天然氣的速度矢量和云圖，圖6為孔板流量計后的速度矢量和云圖。通過數(shù)值模擬，我們可以建立不確定度和孔徑比β的關系，如圖7。

   

圖7 不確定度和孔徑比的關系圖

    一般而言，孔徑比β值越高，不確定度也就越高，所造成的天然氣輸差也就越大，因此應避免采用孔徑比大的孔板。另外，孔板彎曲或變形、孔板流量計的孔板銳邊、截面及流線的變化、管道內(nèi)的腐蝕物、管道內(nèi)壁的相對粗糙度都會對輸差構成一定的影響。

    4 結論

    從上面的分析可知，天然氣計量過程中出現(xiàn)誤差是在所難免的，而且有許多是不可避免的誤差。在實際應用中，應盡量避免超過國家標準中0.10≤β≤0.75規(guī)定的上限，減少輸差。