孔板流量計計量中存在的問題及措施
發(fā)布時間：2022-10-15 17:35:15來源：www.tydanche.cn來源：..
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1 前言
天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比例不斷上升，據(jù)統(tǒng)計 1970 年為 17.7%，1980 年為 18.8%，1990 年為 21.5%，2000 年為 22.3%，預(yù)計 2010 年為 24.3%。目前天然氣的年產(chǎn)量已達到 2.3×104 億m3左右。天然氣的產(chǎn)區(qū)與其消費地區(qū)之間的距離就決定了此項能源的國際貿(mào)易量頗大，20 世紀 90 年代以來此數(shù)字不斷上升，現(xiàn)已達到 4 200 億 m3/a，其中 75%以上由管道輸送，其余則為液化天然氣。我國是天然氣資源豐富的國家之一，天然氣遠景儲量約達38×104億m3 ，其中陸上占79%，海上占21%。天然氣的生產(chǎn)、利用過程是一個流程復(fù)雜、規(guī)模大、速度快且連續(xù)運行的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，無論是在井場、集氣站、配氣站，還是在使用者家庭都可見到用于不同目的的各種流量測量儀表。其計量的準(zhǔn)確與否受到人們的普遍重視，因此計量的準(zhǔn)確度是選擇任何類型的流量計都必須考慮的重要指標(biāo)。在實際應(yīng)用中，影響流量計計量準(zhǔn)確度的因素很多，下面就幾個方面進行論述。
2 目前孔板流量計計量中存在的問題
流量計量儀表品種多，計算模型五花八門，如標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、渦街流量計、漩渦流量計、超聲波流量計等，除了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計外，余者皆缺乏必要的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范支持。
孔板流量計在 20 世紀初即使用于天然氣流量測量，經(jīng)過一個世紀的漫長發(fā)展過程，它已成為全世界最主要的天然氣流量計。據(jù)估計，目前在國外它約占 60%，而在國內(nèi)占 90%以上。美國 AGA（美國燃氣協(xié)會）No.3 報告(孔板流量計計量天然氣及其它烴類流體)就是針對天然氣計量的標(biāo)準(zhǔn)，從中可知，孔板流量計測量天然氣流量已經(jīng)進行過非常深入細致的研究試驗，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，在量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，其標(biāo)志就是標(biāo)準(zhǔn)化——用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計，可以無須校準(zhǔn)而確定信號(差壓)與流量的關(guān)系，并估算其測量誤差，目前在全部流量計中它是唯一達到此標(biāo)準(zhǔn)的。
孔板流量計的主要特點為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡單牢固、性能穩(wěn)定可靠、使用期限長、價格低廉等。整套流量計由節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀(或流量計算機)組成。它們可以分別由不同廠家生產(chǎn)，易于形成規(guī)模生產(chǎn)、經(jīng)濟效益高，各部分組合非常靈活，即使目前推出的一體化孔板流量計，亦可分開生產(chǎn)，再靈活組裝。
在現(xiàn)場惡劣工作條件下，節(jié)流裝置與差壓變送器及其連接部分的引壓管線是使用維護的重點。《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》(SY/6143-1996)中指出，天然氣從地層中開采出來，雖經(jīng)分離、除塵和過濾，因其所含成份十分復(fù)雜，從單井計算、集氣計量到配氣計量，氣體組分不同，所以節(jié)流裝置在使用中所受到的腐蝕亦各不相同。特別對孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷、腐蝕尤為嚴重，這將影響孔板直角入口邊緣弧半徑和測量管內(nèi)壁的相對粗糙度，流出系數(shù)發(fā)生變化，流量測量不確定度超出估計數(shù)。輸出信號為模擬信號，重復(fù)性不高，對整套流量計的精確度影響因素多且錯綜復(fù)雜，因此精確度提高的難度很大。
2.1 被測流體特性的影響
由于天然氣本身的性質(zhì)，會隨著外界環(huán)境溫度的變化而發(fā)生復(fù)雜的變化，從而影響流量計的測量精度。對于天然氣的測量，必須首先確定天然氣的工作溫度和壓力，以免造成密度和壓縮系數(shù)的過大變化。低密度氣體對某些測量方法呈現(xiàn)困難，此時就要改變所選擇的測量方法，或者進行溫度和(或)壓力修正，以保證測量準(zhǔn)確度。在評估流量計的適應(yīng)性時，還要掌握氣體的溫度—粘度特性，雖然氣體的粘度隨溫度和壓力變化較小，但是對流量計量的精確度還是有一定的影響。
在礦場計量或測量含有雜質(zhì)的天然氣時，雜質(zhì)會腐蝕儀表接觸件，使接觸表面結(jié)垢或析出結(jié)晶，減小活動部件的間隙，從而改變流量計使用性能參數(shù)，降低敏感元件的靈敏度或測量性能，影響計量精度。
對于油田濕氣(伴生氣)，其中含有大量飽和水蒸氣，溫度降低時有水凝結(jié)；分離不凈的濕氣含有油滴或油污，屬臟污介質(zhì)；間斷計量，將有油、水沉積在管線內(nèi)。它們均屬于多組分流動，計量時應(yīng)謹慎對待 。經(jīng)驗表明，單相通用流量儀表用于多組分或多相流體，測量性能會改變(或大幅度改變)。單相流動的氣體有時也會呈現(xiàn)雙相，例如濕氣中水微粒隨著天然氣流動，環(huán)境溫度或天然氣壓力偏離原定狀態(tài)，儀表就可能不適應(yīng)。測量氣液雙相流時盡可能采用分離后分相測量，以保證最小測量不確定度，然而在有些場合這種方法并不切實可行或不符合要求。
2.2 儀表性能的影響
孔板流量計本身引起的誤差原因主要有：孔板入口直角銳利度，管徑尺寸與計算不符，孔板厚度誤差，節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階、偏心，孔板上游端面平度，環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心，取壓位置，焊縫突出，取壓孔加工不規(guī)范或堵塞及節(jié)流件不同軸度等等。這些因素都有可能影響孔板的重復(fù)性，重復(fù)性是由儀器本身原理與制造質(zhì)量所決定，它在過程控制應(yīng)用中是重要的指標(biāo)。而精確度除取決于重復(fù)性外，尚與量值標(biāo)定系統(tǒng)有關(guān)。在實際應(yīng)用中，儀表優(yōu)良的重復(fù)性被許多因素包括流體粘度、密度等變化所干擾，都會影響測量精度。若儀表輸出特性是非線性的，則這種影響更為突出。流量儀表輸出主要有線性和平方根非線性兩種。大部分流量儀表的非線性誤差不列出單獨指標(biāo)，而包含在基本誤差內(nèi)。然而對于寬流量范圍脈沖輸出用作總量積算的儀表，線性度是一個重要指標(biāo)，使有可能在流量范圍內(nèi)用同一個儀表常數(shù)，線性度差就要降低儀表精確度。
用于脈動流動場所，應(yīng)注意儀表對流動階躍變化的響應(yīng)。有些使用場所要求儀表輸出跟隨流動變化，而另一些為獲得綜合平均值只要求有較慢響應(yīng)的輸出。瞬態(tài)響應(yīng)(transient response)常以時間常數(shù)或響應(yīng)頻率表示，其值前者從幾毫秒到幾秒，后者在數(shù)百赫茲以下，配用顯示儀表可能相當(dāng)大地延長響應(yīng)時間。Red medloc 認為儀表的流量上升和下降的動態(tài)響應(yīng)不對稱會急劇增加測量誤差。
2.3 流量計安裝的影響
管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的，其主要原因是現(xiàn)場不能滿足直管段要求的長度。
在流量計安裝時首先應(yīng)考慮管道的布置和天然氣的流動方向，有些雖然是能雙向工作的儀表，在安裝時也要考慮正向和反向之間測量性能是否存在差異。
大部分流量計儀表或多或少會受進口流動狀況的影響，因而必須保證測量流體的良好流動狀況。輸送管道上安裝的定排量泵、往復(fù)式壓縮機、振蕩著的閥或調(diào)節(jié)器等都是常見的脈動源，上游管道布置和阻流件會引起流動擾動，另外管道直徑和方向的急劇改變等不良布置，都會產(chǎn)生脈動，流量計來不及跟隨記錄脈動擾動，帶來測量誤差。因此應(yīng)考慮在儀表前后管道安裝支撐件。雖然脈動緩沖器可清除或減小泵與壓縮機的影響，然而流量計還是應(yīng)盡可能避開振動或振動源為好。
流量計的信號輸出顯示有流量(體積流量或質(zhì)量流量)、總量、平均流速、點流速幾種，亦可分為模擬量(電流或電壓)和脈沖量。目前大部分儀表系統(tǒng)，在儀表上或其附近結(jié)合著電子設(shè)備。大功率電源不僅會使儀表輸出脈沖波動，還會影響儀表工作性能，如電磁流量計的磁場被畸變，影響測量精度。因此電氣連接應(yīng)有抗雜散電平干擾的能力，并且信號電纜應(yīng)盡可能遠離電力電纜和電力源，將電磁干擾和射頻干擾降至最低水平。
2.4 環(huán)境條件方面的影響
因所使用環(huán)境條件不同于預(yù)期的，使儀表的一些性能參數(shù)和硬件方面也隨之發(fā)生了改變，從而會改變流量計測量結(jié)果。例如：環(huán)境溫度或介質(zhì)溫度的急劇變化引起濕度的變化，高濕度會加速大氣腐蝕和電解腐蝕并降低電氣絕緣，低濕度則容易產(chǎn)生靜電。
儀表的電子部件和某些儀表流量檢測部分易受環(huán)境溫度變化影響。例如，儀表尺寸變化，通過儀表殼體傳熱改變流體密度和粘度等，影響到顯示儀表電子元件時，將降低測量準(zhǔn)確度。
此外，影響孔板流量計計量的因素還有氣體流速造成雷諾數(shù)范圍不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、管道粗糙度影響等。
3 解決孔板流量計計量問題的途徑
3.1 加強管理，提高人員素質(zhì)
孔板流量計易于偏離標(biāo)準(zhǔn)的原因在于儀表本身的工作原理與結(jié)構(gòu)特點，儀器自身誤差是制造時產(chǎn)生的，安裝和使用誤差則是在安裝時或長期使用中由于流體介質(zhì)腐蝕、磨損、沾污等造成的。因此，應(yīng)嚴格按技術(shù)要求安裝流量計量系統(tǒng)，消除安裝誤差。在使用過程中，操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護、保養(yǎng)工作，延長其使用壽命，減小計量誤差。同時，在實際應(yīng)用中應(yīng)強化宣貫《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》(SY/6143-1996)的力度。其中提到了減少誤差的方法。如附錄“節(jié)流裝置在使用中出現(xiàn)部分偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理”中規(guī)定在實際應(yīng)用中采取在流出系數(shù)中增加 2 個修正系數(shù)，即孔板入口尖銳度修正系數(shù)和管壁粗糙修正系數(shù)或者采用可換孔板節(jié)流裝置。因此在天然氣計量的實際應(yīng)用中應(yīng)深入研究，吃透《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》的精髓，嚴格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定安裝、使用、處理數(shù)據(jù)，保證天然氣計量的準(zhǔn)確性。
3.2 測量儀表的正確選用
測量儀表應(yīng)首選標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，當(dāng)流量變化范圍大時要考慮用寬量程智能差變，其它類型檢測儀表在相應(yīng)的計量天然氣的標(biāo)準(zhǔn)出臺前，應(yīng)慎重選用，二次儀表的計量模型應(yīng)符合 SY/T6143-1996的要求計算 FZ 能輸入組份，實時計算 C 值。
3.3 加強技術(shù)培訓(xùn)，借鑒國外經(jīng)驗
引進、消化、吸收近幾年發(fā)展起來的天然氣計量新技術(shù)。從國外情況來看，在天然氣國際貿(mào)易中能量計量幾乎已全面取代傳統(tǒng)的體積計量，而我國的天然氣計量領(lǐng)域中體積計量仍占統(tǒng)治地位。為了盡快與國際接軌，使用單位可以與各科研究院所聯(lián)合攻關(guān)，開展天然氣能量計量的試驗工作，并在此基礎(chǔ)上完成標(biāo)準(zhǔn)化。為了加快試驗進度，建議引進國外先進的在線氣相色譜系統(tǒng)和流量計算機，在消化引進技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展適合我國國情的天然氣能量計量系統(tǒng)。
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