摘要：隨著世界天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，天然氣貿(mào)易的頻繁，對(duì)天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量要求越來越高。目前國內(nèi)孔板流量計(jì)占90%以上，而影響該流量計(jì)計(jì)量精度的因素很多，包括流體特性、儀表性能、安裝、環(huán)境條件等方面，要解決或減少這些影響因素，必須加強(qiáng)管理、正確選用儀表及加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，提高人員素質(zhì)。
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(jì)1970年為17.7%，1980年為18.8%，1990年為21.5%，2000年為22.3%，預(yù)計(jì)2010年為24.3%。目前天然氣的年產(chǎn)量已達(dá)到2.3×104億m3左右。天然氣的產(chǎn)區(qū)與其消費(fèi)地區(qū)之間的距離就決定了此項(xiàng)能源的國際貿(mào)易量頗大，20世紀(jì)90年代以來此數(shù)字不斷上升，現(xiàn)已達(dá)到4200億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(yuǎn)景儲(chǔ)量約達(dá)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(gè)流程復(fù)雜、規(guī)模大、速度快且連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)。在這個(gè)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(jì)量的準(zhǔn)確與否受到人們的普遍重視，因此計(jì)量的精度是選擇任何類型的流量計(jì)都必須考慮的重要指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，影響流量計(jì)計(jì)量精度的因素很多。
2目前孔板流量計(jì)計(jì)量中存在的問題
流量計(jì)量儀表品種多，計(jì)算模型五花八門，如標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、漩渦流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等，除了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)外，余者皆缺乏必要的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范支持。
孔板流量計(jì)在20世紀(jì)初即使用于天然氣流量測量，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)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(jì)。據(jù)估計(jì)，目前在國外它約占60%，而在國內(nèi)占90%以上。美國AGA（美國燃?xì)鈪f(xié)會(huì)）No.3報(bào)告(孔板流量計(jì)計(jì)量天然氣及其它烴類流體)就是針對(duì)天然氣計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)，從中可知，孔板流量計(jì)測量天然氣流量已經(jīng)進(jìn)行過非常深入細(xì)致的研究試驗(yàn)，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(jì)，可以無須校準(zhǔn)而確定信號(hào)(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(jì)中它是唯一達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的。
孔板流量計(jì)的主要特點(diǎn)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(jià)格低等。整套流量計(jì)由節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀(或流量計(jì)算機(jī))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(jì)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(jì)，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(hù)的重點(diǎn)�！短烊粴饬髁康臉�(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)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(jì)算、集氣計(jì)量到配氣計(jì)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(duì)孔板直角入口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷、腐蝕尤為嚴(yán)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(duì)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(jì)數(shù)。輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，重復(fù)性不高，對(duì)整套流量計(jì)的精度影響因素多且錯(cuò)綜復(fù)雜，因此精度提高的難度很大。
2.1被測流體特性的影響
由于天然氣本身的性質(zhì)，會(huì)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(jì)的測量精度。對(duì)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(duì)某些測量方法呈現(xiàn)困難，此時(shí)就要改變所選擇的測量方法，或者進(jìn)行溫度和(或)壓力修正，以保證測量精度。在評(píng)估流量計(jì)的適應(yīng)性時(shí)，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(duì)流量計(jì)量的精度還是有一定的影響。
在礦場計(jì)量或測量含有雜質(zhì)的天然氣時(shí)，雜質(zhì)會(huì)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(dòng)部件的間隙，從而改變流量計(jì)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(jì)量精度。
對(duì)于油田濕氣(伴生氣)，其中含有大量飽和水蒸氣，溫度降低時(shí)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(jì)量，將有油、水沉積在管線內(nèi)。它們均屬于多組分流動(dòng)，計(jì)量時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待[1]。經(jīng)驗(yàn)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(huì)改變(或大幅度改變)。單相流動(dòng)的氣體有時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)雙相，例如濕氣中水微粒隨著天然氣流動(dòng)，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(shí)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(shí)可行或不符合要求[2]。
2.2儀表性能的影響
孔板流量計(jì)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(jì)算不符，孔板厚度誤差，節(jié)流件附件產(chǎn)生臺(tái)階、偏心，孔板上游端面平度，環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺(tái)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(shí)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(huì)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(dú)指標(biāo)，而包含在基本誤差內(nèi)。然而對(duì)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(gè)重要指標(biāo)，使有可能在流量范圍內(nèi)用同一個(gè)儀表常數(shù)，線性度差就要降低儀表精度。
用于脈動(dòng)流動(dòng)場所，應(yīng)注意儀表對(duì)流動(dòng)階躍變化的響應(yīng)。有些使用場所要求儀表輸出跟隨流動(dòng)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)(transientresponse)常以時(shí)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(shí)間。Redmedloc認(rèn)為儀表的流量上升和下降的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不對(duì)稱會(huì)急劇增加測量誤差[3]。
2.3流量計(jì)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(jì)安裝時(shí)首先應(yīng)考慮管道的布置和天然氣的流動(dòng)方向，有些雖然是能雙向工作的儀表，在安裝時(shí)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(jì)儀表或多或少會(huì)受進(jìn)口流動(dòng)狀況的影響，因而必須保證測量流體的良好流動(dòng)狀況。輸送管道上安裝的定排量泵、往復(fù)式壓縮機(jī)、振蕩著的閥或調(diào)節(jié)器等都是常見的脈動(dòng)源，上游管道布置和阻流件會(huì)引起流動(dòng)擾動(dòng)，另外管道直徑和方向的急劇改變等不良布置，都會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，流量計(jì)來不及跟隨記錄脈動(dòng)擾動(dòng)，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(dòng)緩沖器可清除或減小泵與壓縮機(jī)的影響，然而流量計(jì)還是應(yīng)盡可能避開振動(dòng)或振動(dòng)源為好[3]。
流量計(jì)的信號(hào)輸出顯示有流量(體積流量或質(zhì)量流量)、總量、平均流速、點(diǎn)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(huì)使儀表輸出脈沖波動(dòng)，還會(huì)影響儀表工作性能，如電磁流量計(jì)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(hào)電纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)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(huì)改變流量計(jì)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(huì)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(shí)，將降低測量精度。
此外，影響孔板流量計(jì)計(jì)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(jì)計(jì)量問題的途徑
3.1加強(qiáng)管理，提高人員素質(zhì)
孔板流量計(jì)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(diǎn)，儀器自身誤差是制造時(shí)產(chǎn)生的，安裝和使用誤差則是在安裝時(shí)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(yán)格按技術(shù)要求安裝流量計(jì)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(hù)、保養(yǎng)工作，延長其使用壽命，減小計(jì)量誤差。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)強(qiáng)化宣貫《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)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(shí)際應(yīng)用中采取在流出系數(shù)中增加2個(gè)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(jì)量的實(shí)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(jì)量方法》的精髓，嚴(yán)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(jì)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(shí)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(jì)量天然氣的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)前，應(yīng)慎重選用，二次儀表的計(jì)量模型應(yīng)符合SY/T6143-1996的要求計(jì)算FZ能輸入組份，實(shí)時(shí)計(jì)算C值。
3.3加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)
引進(jìn)、消化、吸收近幾年發(fā)展起來的天然氣計(jì)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(jì)量幾乎已全面取代傳統(tǒng)的體積計(jì)量，而我國的天然氣計(jì)量領(lǐng)域中體積計(jì)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(jì)量的試驗(yàn)工作，并在此基礎(chǔ)上完成標(biāo)準(zhǔn)化。為了加快試驗(yàn)進(jìn)度，建議引進(jìn)國外先進(jìn)的在線氣相色譜系統(tǒng)和流量計(jì)算機(jī)，在消化引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展適合我國國情的天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)。
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