天然氣孔板流量計

在20世紀初,孔板流量計應用于天然氣流量測量,經(jīng)過一個世紀的發(fā)展,它已成為*主要的天然氣流量計[1]。近年來,盡管出現(xiàn)了許多新型天然氣測量流量計,如,超聲流量計、氣體渦輪流量計等。但由于孔板流量計測量技術(shù)歷史悠久、應用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長及價格低等特點,且標準型孔板流量計可以無須校準而確定信號(差壓)與流量的關(guān)系,并估算其測量誤差等特點,在流量計中是惟一的。正是由于上述原因,在今后相當長一個時期內(nèi),由于種種因素的制約,特別是標定不能獲得妥善解決之前,孔板流量計仍是天然氣計量的主要儀表。
1　孔板流量計的測量原理
　　孔板流量計是根據(jù)安裝在管道中孔板產(chǎn)生的差壓、已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來測量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。如圖1,當流體流經(jīng)設(shè)置在管道中的節(jié)流件(孔板)時,流束將在節(jié)流件處形成局部收縮。此時流速增大,靜差壓降低,在孔板前后產(chǎn)生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據(jù)差壓來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ),流量為[2]。
qm= C(1-β 4)- 1/2επ/[4d2(2Δpρ1)1/2],
　　式中,qm為質(zhì)量流量,kg/s;C為流出系數(shù)m3/s;ε為可膨脹形系數(shù);β為直徑比,β= d/ D; d為工作條件下節(jié)流件孔徑,m;D為工作條件下上游管道內(nèi)徑,m;Δp為差壓,Pa,Δp= p1- p2;ρ1為上游流體密度,kg/m3。

2　新型孔板流量計的特點
　　由孔板流量計的測量原理可知,流量與差壓為平方根關(guān)系,如果壓差降低到原差壓的1/9,則流量將減小到原流量的1/3,這樣,對于一個差壓上限固定的差壓變送器來說,其測量精度是下降了,這就是傳統(tǒng)孔板流量計的量程比大為4∶1的原因。在石油天然氣鉆采工程領(lǐng)域,天然氣的流量,物性參數(shù)等會隨年份不同,工況條件不同有很大差異,采用傳統(tǒng)孔板流量計測量存在測量范圍窄,測量精度低,需在工況變化時,更換不同的孔板元件等缺點。近年來,隨著微電子技術(shù),計算機技術(shù),新材料,新工藝的迅速發(fā)展,差壓變送器和流量計已大大提高其性能及可靠性,儀表廠家相繼開發(fā)了一些寬幅一體化智能孔板流量計,對原有的孔板流量計做了很大改進。
a)　流量測量范圍擴展方式改進　在石油天然氣測量中,對流量變化大的場合,傳統(tǒng)做法是同時配備多塊β值不同的孔板或并列幾臺流量計。新型智能孔板流量計,如,日本SONIC公司開發(fā)的孔板流量計,其流量比的范圍可在流量計算機上進行選擇。流量計算機上除設(shè)有正常流量比外,還設(shè)有2個擴展功能(如圖2),一是為了計量小流量,可將計量范圍擴大到大可測流量的1/40,這種功能是在流量計算機上采用擴展差壓分解功能系統(tǒng),不用更換孔板和差壓變送器就可完成;另一個擴展功能就是大流量側(cè)計量范圍的擴張,這是將差壓擴大,從而使大流量側(cè)的計量范圍加以擴大的一種系統(tǒng)。另外還有超寬幅范圍方式,量程比大可達1∶180,采用2臺差壓變送器,各自負擔著小流量范圍和大流量范圍的測量,各自獨立發(fā)信號,流量計算機則把這些信號分成不同領(lǐng)域進行變換選擇,并在各領(lǐng)域進行演算,從而使超寬幅范圍在測量上也能保證較高的精度。雖然多投入了1臺差壓變送器,但是與并列2臺流量計的設(shè)備費用相比,既提高了經(jīng)濟效益,又節(jié)省了來回切換的麻煩;與采用多塊孔板的方法相比,避免了孔板更換,降低了生產(chǎn)操作難度。
b)　孔板元件與二次儀表(差壓變送器及流量積算儀)一體化　傳統(tǒng)孔板流量計在應用中,孔板與二次儀表分開,把差壓信號送到中控進行流量計算,在流量變化較大的場合,還需配備多塊孔板,一體化流量計完*了這一不便,使孔板和二次儀表成為一體,省去了引壓管線,減少了故障率,改善了動態(tài)特性,方便了安裝使用[2],且體積小,節(jié)約成本,無需現(xiàn)場更換孔板,只需設(shè)定量程比即可,操作方便,受到用戶的歡迎。

c)　自動溫壓補償功能　孔板流量計的總精度為± 0.8%～ 5.0%[3],對孔板流量計來說,密度是影響流量計特性的主要參數(shù),而密度又是溫度、壓力的函數(shù),現(xiàn)場壓力溫度波動是不可避免的,由此引起的物性參數(shù)的變動是使用時產(chǎn)生附加誤差的主要原因之一,在高精度測量時應特別注意。由于天然氣是可壓縮流體,受溫度、壓力的影響較大,為了保證精確度,常常采用溫壓補償。新型孔板流量計可將壓力和溫度信號直接送入現(xiàn)場流量計算機,對流量進行壓力和溫度變化時的自動補償運算,并將精確的流量值送到中控。但須注意的是,*的儀表是沒有的,若補償方法不當,有累積這些儀表誤差的可能,增加了故障因素,所以,進行補償時須慎重考慮。另外,在某些場合,當流體組分發(fā)生變化時,就不能采用壓力、溫度補償,而應采用密度補償[2]。
3　發(fā)展前景
　　隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,與傳統(tǒng)孔板流量計相比,當今智能孔板流量計發(fā)展趨勢是一體化、高精度、寬量比的新型流量計,并擁有補償功能完善的流量計算機,具有強大的功能軟件,同時設(shè)有RS485標準計算機通信接口,可與DCS連接通信,對維護檢修提供了方便,在工業(yè)生產(chǎn)過程中方便實用。同時,由于新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度,并經(jīng)計算單元作氣體壓力、溫度修正或測氣體質(zhì)量流量,減少了獨立的傳感器數(shù)量,簡化管線工程,降低安裝費用;減少管線開孔,降低潛在泄露點[4],提高整體可靠性,這些都為智能孔板流量計更好地應用提供了可靠的技術(shù)保證。天然氣作為流動的氣體，其流量值是間接測量得出的。其測量值的準確程度直接取決于所使用的計量設(shè)備及設(shè)備的整體安裝和使用。目前，我國天然氣計量可選用的流量計類型達到七八種以上，但在天然氣輸氣管網(wǎng)中使用的中高壓、大口徑流量計主要有超聲、渦輪流量計和孔板等。其中，孔板流量計因為結(jié)構(gòu)簡單、投資少、計量準確度較高，成為我國天然氣傳輸過程中主要的計量方式，在全國各大油田均有應用。在大慶油田，天然氣的儲運傳輸過程中主要應用孔板流量計。孔板流量計計量工作是大慶油田天然氣企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中的一項重要技術(shù)基礎(chǔ)工作，是大慶油田的天然氣勘探開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營的重要依據(jù)；也是企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營管理、計算和考核各類設(shè)備的經(jīng)濟技術(shù)指標，制定或調(diào)整遠景規(guī)劃及年度規(guī)劃方面*的數(shù)據(jù)。
　　隨著科技發(fā)展和自動化水平的提高，計算機技術(shù)已經(jīng)普及到了油田生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)。大慶油田為了保證天然氣計量的準確性，減少天然氣輸送計量誤差，大量引入了天然氣計算機智能計量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含現(xiàn)場使用的孔板流量計和處理該數(shù)據(jù)所使用的計算機系統(tǒng)。傳統(tǒng)孔板流量計檢定、校準的方法一般都是安裝前對孔板流量計進行檢定，而安裝后由于現(xiàn)場條件限制，不進行檢定、校準。*，孔板流量計對安裝有很高的要求，不按照標準安裝的孔板流量計誤差非常大，特別是引進了孔板流量計計算機系統(tǒng)，其壓力、溫度、差壓等變送器信號在傳輸過程中產(chǎn)生的電信號漂移，都可以對終數(shù)據(jù)的準確性產(chǎn)生較大的影響，使系統(tǒng)安裝使用后的計量準確性問題一直沒有得到相關(guān)數(shù)據(jù)的驗證。為了給油田相關(guān)企業(yè)提供準確的數(shù)據(jù)支持，為天然氣生產(chǎn)和銷售等相關(guān)單位提供準確的能耗數(shù)據(jù)，大慶油田計量檢定測試所提出了天然氣孔板流量計在線實時校準方法。
2特點
　　新開發(fā)了天然氣在線實時校準技術(shù)，其工作原理是：通過研發(fā)一套多路過程智能校驗裝置對天然氣系統(tǒng)的壓力、壓差、溫度等參數(shù)實現(xiàn)實時測量，對天然氣的組分、天然氣輸送管道的材質(zhì)等數(shù)據(jù)分析計算，從而實現(xiàn)天然氣計量的在線實時檢定。圖1為天然氣流量智能校驗裝置結(jié)構(gòu)。如圖所示，實驗平臺一共分為三層，從上到下分別是工控機、信號調(diào)理板和接線盒，分別通過帶有BNC接口的導線相連接。整個工控機集成了控制器、多功能數(shù)據(jù)采集卡、便攜式觸摸屏和便攜式鍵盤，在外部體積上減少了空間，有利于天然氣計量的現(xiàn)場校準。其中多功能數(shù)據(jù)采集卡可以分別作為外部差壓、壓力和溫度信號的輸入端，將接線盒與電流轉(zhuǎn)電壓信號板相連接，因此能夠得到外部信號的電壓信號，終送到控制器進行數(shù)據(jù)處理，通過相應軟件后臺計算出天然氣的具體流量。
　　天然氣孔板流量的在線實時校準，主要分為瞬時量和累計量的計量兩個方面，累積量計算是否準確，是以瞬時量計算準確性為前提的，在累計量計量中，計量時鐘必須準確，即瞬時量和計量時鐘二者缺一不可。瞬時量計算準確度校準是依據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)的算法比對，用多路過程智能校驗裝置采用天然氣流量智能校驗系統(tǒng)靜態(tài)測量的結(jié)果與GB/T21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》附錄中所提供天然氣流量計算實例結(jié)果對比[1]，分析軟件計算結(jié)果的準確度。在所有已知條件相同的情況下，靜態(tài)測量實驗結(jié)果見表1。

　　靜態(tài)測量實驗結(jié)果驗證了多路過程智能校驗裝置設(shè)計的正確性，符合GB/T21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》的要求。
　　時鐘的準確性必須通過長時間時鐘的累積來驗證準確性。天然氣流量計算機（HC601）采用系統(tǒng)的硬件時鐘中斷來獲得，不受系統(tǒng)運行負荷的影響，每秒累積一次，非常精準，因此能夠保證積累的準確性。天然氣的靜態(tài)測量結(jié)果的正確性和時鐘準確性，通過多路過程智能校驗裝置可以滿足天然氣的動態(tài)計量基礎(chǔ)，實現(xiàn)天然氣孔板流量計計量系統(tǒng)現(xiàn)場在線校準。
3現(xiàn)場應用
　　對某天然氣公司進行現(xiàn)場測試，在測試中發(fā)現(xiàn)某些孔板流量計算機系統(tǒng)靜態(tài)計量存在偏差較大，天然氣供應單位一直同天然氣使用單位存在計量糾紛。經(jīng)過在線實時檢定，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)顯示的瞬時量計量和累計量計量都和標準存在誤差，經(jīng)過校準問題得到了解決。測試數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)對比見表2。

　　針對測試數(shù)據(jù)，按照某單位每年實際輸送300天計算，其每年少計量的天然氣量為19152m3。經(jīng)過對現(xiàn)場設(shè)備重新校準調(diào)試，為企業(yè)的節(jié)能減排提供了準確的數(shù)據(jù)支持。
4結(jié)論
　　天然氣孔板流量計在在線檢定校準項目的開展能為天然氣生產(chǎn)及相關(guān)企業(yè)提供準確的數(shù)據(jù)支持，必將在天然氣生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)發(fā)揮重大作用。