我國天然氣流量計(jì)量目前仍以差壓式孔板流量計(jì)為主，僅長慶氣田目前就有近300套。由于孔板流量計(jì)的誤差影響因素較多，往往造成計(jì)量不確定度增大。筆者通過在長慶氣田近幾年的使用與研究，在孔板流量計(jì)的誤差研究方面積累了一些使用經(jīng)驗(yàn)，提出了相應(yīng)的對(duì)策予以改善或消除，以期對(duì)同行有所裨益。

       一、誤差來源分析

      天然氣流量測量中的不確定度主要來源于以下3個(gè)方面：①流量計(jì)算方程中描述流體流動(dòng)狀態(tài)的真實(shí)性不確定度因素；②被測介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)（物性因素）的不確定度因素；③測量中重要設(shè)備的不確定度因素。

      針對(duì)以上3方面因素做具體分析如下。

      1.流量計(jì)算方程中描述流體流動(dòng)狀態(tài)的真實(shí)性的不確定度因素

      （1）流出系數(shù)C

       計(jì)算公式為：

     

（1）

      （1）流出系數(shù)C是在上游直管段充分長的實(shí)驗(yàn)條件下，并且孔板節(jié)流裝置在滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)下進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定的，才具有計(jì)量特性。

      當(dāng)氣流流束在孔板前1D處完全充滿管道，且為紊流狀態(tài)時(shí)，流出系數(shù)C的百分誤差為：

    

      當(dāng)β≤0.6時(shí)，為±0.6%
      當(dāng)0.75≥β>0.6時(shí)，為±β%

      設(shè)有一套法蘭取壓的孔板測量裝置，D=50mm，設(shè)計(jì)β=0.5刻度流量時(shí)的Re_D0=1X10⁶，設(shè)Re_D1=2X10⁴、Re_D2=5X10⁴、Re_D3=1X10⁵、Re_D4=1X10⁷、Re_D5=1X10⁸、Re_D6=1X10⁴，經(jīng)過查表或計(jì)算得出C₀=0.6034；C₁～C₆見表1，δ=（C₁-C₀）/C₀。

表1 對(duì)應(yīng)參數(shù)表 

D=50mm,設(shè)計(jì)β=0.5刻度流量時(shí)的ReD=1X106
ReD	2X104	5X104	1X105	1X107	1X108	1X10
C1	0.6126	0.6078	0.6058	0.6030	0.6029	0.6029
δ	-1.52%	-0.73%	-0.40%	0.07%	0.08%	0.08%

      （2）由上例可以看出：當(dāng)速度剖面較充分發(fā)展的速度剖面尖時(shí)（雷諾數(shù)小），流出系數(shù)會(huì)變大，當(dāng)速度剖面較充分發(fā)展的速度剖面平時(shí)（雷諾數(shù)大），流出系數(shù)會(huì)變小。流出系數(shù)C隨著流量的增大而減小，實(shí)際流量越小于刻度流量，則流出系數(shù)C引起的流量誤差會(huì)越大。

      （3）孔板流量計(jì)的流出系數(shù)C不是一個(gè)固定值，它隨雷諾數(shù)的變化而變化，但是當(dāng)雷諾數(shù)增大到某一數(shù)值時(shí)，變化量減小。對(duì)于法蘭取壓，雷諾數(shù)應(yīng)該在10⁶以上，對(duì)于角接取壓，雷諾數(shù)應(yīng)在2X10⁵以上。

       流量測量不確定度中和流出系數(shù)有關(guān)的相關(guān)項(xiàng)為孔板開孔直徑。大小為 

，測量管直徑，大小為

，β值允許0.75≥β≥0.2。據(jù)公式計(jì)算出C的變化范圍為：±0.0197%～±0.1791%。

      2．孔板粗糙度、銳利度、平整度的影響

      SY/T6143-1996對(duì)孔板的直角入口做了嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)定，即：無卷口、無毛邊、無目測可見的異?，F(xiàn)象，并且是尖銳的直角，若邊緣形成圓弧，其圓弧半徑r_k≤0.0004d，孔板開孔內(nèi)圓柱面與孔板上游端面垂直，誤差小于±1°，粗糙度高度參數(shù)Ra≤0.0004d，且不影響尖銳度測試。

      對(duì)于孔板性能對(duì)流量的影響，筆者做過相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)：分別取DN100mm的標(biāo)準(zhǔn)孔板，編號(hào)為GKF75761，經(jīng)檢測其r_k為0.05mm（允許值小于等于0.04mm），GKF78790其粗糙度高度參數(shù)為Ru為45μm（允許值小于等于40μm）。編號(hào)為GKF75007的各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求的孔板進(jìn)行一相對(duì)穩(wěn)定的氣流測量，測試中將不符合規(guī)格孔板放在氣井單量裝置，標(biāo)準(zhǔn)孔板放入氣井外輸裝置，忽略裝置之間的差異，某單井一天天然氣流量測試結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)表明，忽略氣流的微小波動(dòng)，對(duì)于r_k超差的不合格孔板其計(jì)量誤差范圍為-2.81%～3.14%，Ra超差的不合格孔板計(jì)量誤差為-2.58%～2.72%，若r_k、Ra超差嚴(yán)重則氣量偏差更大，甚至可達(dá)到10%。

                                                          表2 天然氣流量測試結(jié)果表                                   10⁴m³/d

 

時(shí)間	7:00	8:00	9:00	10:00	11:00	12:00	13:00
GKF75007	10.2354	10.2589	10.2122	10.2401	10.2349	10.2305	10.2450
GKF75761	9.94247	9.9699	9.9231	9.9201	9.9321	9.9111	9.9233

時(shí)間	14:00	15:00	16:00	17:00	18:00	19:00	20:00
GKF75007	10.2309	10.2401	10.2426	10.2298	10.2287	10.2278	10.2408
GKF78790	9.9654	9.9754	9.9689	9.9654	9.9599	9.9501	9.9701

       3．被測介質(zhì)實(shí)際物理性質(zhì)的不確定度因素

      （1）標(biāo)準(zhǔn)中要求流經(jīng)天然氣的流體為氣流必須是單相的牛頓流體。若氣體含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過2%的固體或液體微粒，且呈均勻分散狀態(tài)，也可被認(rèn)為是單相的牛頓流體。

      在實(shí)際使用中，從井口到計(jì)量管線的過程中，天然氣通常攜帶一定量的水、脫水劑和凝結(jié)液。這些液體來自分離效果差的分離器和負(fù)荷大的脫水單元，當(dāng)流動(dòng)溫度和壓力變化時(shí)，氣體中的重?zé)N組分也會(huì)凝析出來。

      美國雪佛龍公司和科羅拉多工程實(shí)驗(yàn)站分別對(duì)此進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)為將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)計(jì)量的天然氣在通過注水管注水后用孔板流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。其結(jié)論為：①用孔板流量計(jì)測量氣體流量，當(dāng)氣體中夾帶少量液體時(shí)，流量測量不確定度偏高，測量的濕氣流量隨β的增加而減少，在β比為0.7時(shí)，測得的流量偏差為-1.7%；①當(dāng)夾帶少量液體時(shí)，在β比為0.5時(shí)表明孔板性能較好，但是應(yīng)將夾帶液體在孔板上游脫出，以獲得最佳的計(jì)量性能；③用舊的孔板流量計(jì)測量濕氣，流量計(jì)量值將降低3%。

      這項(xiàng)研究結(jié)果說明，天然氣在進(jìn)入計(jì)量裝置以前，如果要獲得非常好的計(jì)量性能，應(yīng)完全脫除天然氣中所含的水分，對(duì)于日處理氣量近百萬立方米的集氣站，這一點(diǎn)非常重要。

      （2）可膨脹系數(shù)（ε）  

     

（2）

      式中：k表示等熵指數(shù)。

      可膨脹系數(shù)的百分誤差為：（±4△p/p₁）%。由于誤差系數(shù)的影響，如被測系統(tǒng)壓力低到4△p/p₁；可以和β比較，被測系統(tǒng)壓力將直接影響到測試準(zhǔn)確度。當(dāng)被測系統(tǒng)壓力為高壓系統(tǒng)時(shí)，可以忽略該項(xiàng)誤差。目前在天然氣計(jì)量中差壓一般在500～50000Pa范圍內(nèi)，靜壓在1～10MPa范圍內(nèi)。因此ε的誤差最小為±0.0002%，最大為±0.2%（甚至?xí)螅?/P>

      （3）天然氣相對(duì)密度的影響

      密度參數(shù)是天然氣測量中極為重要的物性參數(shù)，密度測量的不確定度對(duì)整個(gè)測量系統(tǒng)的不確定度有著很大影響，目前國內(nèi)普遍采用測量氣流壓力、氣流溫度和定時(shí)取樣得到氣流全組分，由于壓力溫度的波動(dòng)，天然氣的相對(duì)密度并不是一個(gè)固定值。密度不確定度估算公式為：

     

（3）

      根據(jù)計(jì)量條件估算密度帶來的不確定度：當(dāng)儀表精度較低且運(yùn)行在下限時(shí)，不確定度為±1.818%；反之不確定度則在±0.793%，由此可見密度在流量測量中至關(guān)重要。所以為了準(zhǔn)確進(jìn)行天然氣計(jì)量，選用在線氣相色譜儀進(jìn)行組分在線分析是十分必要的。長慶氣田在向北京、陜西、寧夏以及西氣東輸供氣的外貿(mào)計(jì)量裝置上均采用了在線色譜，平均5min采樣分析一次，能夠及時(shí)檢測到組分的變化情況，提高了計(jì)量精度。

      4．測量中重要設(shè)備的不確定度因素

      該項(xiàng)不確定度因素主要體現(xiàn)在孔板β比選擇方面、還包括二次儀表的不確定度：

      （1）β比選擇

      根據(jù)SY/T6143-1996中的體積流量不確定度公式為：

     

（4）

      據(jù)式（4）可以計(jì)算出直徑比β與流量不確定度

 的關(guān)系如表3所示。 

表3 直徑比與體積流量不確定度的關(guān)系表   %

 

直徑比β	0.2	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45
不確定度	0.7463	0.7648	0.7469	0.7471	0.7474	0.7478
直徑比β	0.50	0.55	0.6	0.65	0.7	0.75
不確定度	0.7503	0.7538	0.7602	0.8122	0.8356	0.8828

      由表3可以看出，當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，直徑比β的變化對(duì)測量不確定度的影響是很大的，現(xiàn)場應(yīng)用中，操作人員常根據(jù)氣量的變化來更換不同內(nèi)徑的孔板來滿足使用要求，此時(shí)，直徑比成了影響準(zhǔn)確度的主要可變因素。β與流量測量綜合不確定度的關(guān)系如圖1所示。結(jié)論為：不確定度基本隨著β增減而增減，當(dāng)β小于0.6時(shí)，不確定度的變化很小?；緸橐粭l直線；隨著β的增大，不確定度迅速增大，當(dāng)β=0.75時(shí)，不確定度達(dá)到最大。

     （2）二次儀表的不確定度

      由于目前天然氣計(jì)量大多采用計(jì)算機(jī)智能化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度高，量化誤差的影響可以忽略，差壓、壓力、溫度的測量由于大量高精度智能化變送器的應(yīng)用使二次儀表對(duì)整個(gè)流量系統(tǒng)的誤差成為了非主要影響因素。

      1）壓力儀表測量誤差：主要由壓力測量儀表的精確度引起（儀表準(zhǔn)確度受溫度變化影響）。采用3051T型變送器在5.0MPa工作，溫度變化在30℃左右。

      溫度影響：±0.15%；

      最終精確度為：ζ=±0.225%（儀表校驗(yàn)誤差為±0.075%）。

      2）差壓儀表測量誤差：主要由儀表精確度、儀表安裝位置、導(dǎo)壓管引起。采用3051CD型變送器在5.0MPa工作，溫度變化在30℃左右。

      溫度影響：±0.075%；

      靜壓力影響：±0.15%；

      安裝位置可通過零點(diǎn)調(diào)整予以消除。

      其最終精確度為：ζ=±0.30%（儀表校驗(yàn)誤差為  0.075%）；

      導(dǎo)壓管引起誤差為：±0.2%；

      總體差壓誤差為：±0.36%。

      3）溫度儀表測量誤差：主要由儀表精確度和安裝位置正確性影響。

      溫度儀表精確度為：ζ=±0.5%。

      安裝位置的影響在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)忽略不計(jì)。

      （3）計(jì)量條件下天然氣流量測量的不確定度

      假定流量測量裝置為理想狀態(tài)，已知條件：天然氣外輸測量管D₂₀=205mm；d₂₀=103.76mm；p=4.50MPa；△P_max=54kPa；溫度計(jì)上限為50℃，準(zhǔn)確度為0.2級(jí)，壓力、差壓變送器準(zhǔn)確度為0.1級(jí)。據(jù)式（4）則有不確定度為：     

     

=±0．63%（最大流量時(shí) Δp_max=54kPa）；     
              =±1.04%（最小流量時(shí)    ΔP_max=9kPa）；
              =±0.65%（常用流量時(shí)    Δp_max=30kPa）。

      二、控制誤差提高計(jì)量準(zhǔn)確度的方法

      因?yàn)樘烊粴饬髁繙y量計(jì)算的不確定度是在其他影響因素都不存在附加誤差的情況下計(jì)算得到的，但是使用中由于各種原因會(huì)帶來一定的附加誤差，這是需要消除的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，提出以下控制方法及建議。

      1.孔板節(jié)流裝置必須符合標(biāo)準(zhǔn)

      孔板節(jié)流裝置在使用前的安裝中應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)安裝設(shè)計(jì)，根據(jù)孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段，一般應(yīng)至少前30D，長慶氣田在開發(fā)初期部分集氣站因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因流量計(jì)直管段長度為前10D后5D，造成天然氣計(jì)量輸差達(dá)到±5%～±8%，分析原因后經(jīng)過技術(shù)改造，計(jì)量管段改為前30D后10D。使計(jì)量輸差降低到±1.5%。

      2．氣流中存在脈動(dòng)流的改善措施

      天然氣從地層中采集后經(jīng)節(jié)流、分離、凈化后一般能達(dá)到均勻單相的牛頓流體，在天然氣計(jì)量中由于各種原因使天然氣脈動(dòng)，可以采取以下措施減小脈動(dòng)流的影響。

      （1）在滿足計(jì)量能力的條件下，應(yīng)選擇內(nèi)徑較小的測量管，使△P、β在比較高的雷諾數(shù)下運(yùn)行。

      （2）采用短引壓管線，盡量減少引壓管線系統(tǒng)中的阻力件，并使上下游管線長度相等，以減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動(dòng)振幅的增加。

      （3）從管線中除去游離液體，管線中的積液引起的脈動(dòng)可以采用自動(dòng)清管系統(tǒng)或低處安裝分液器來處理。

      為使天然氣具有最佳的計(jì)量性能，應(yīng)將天然氣中的水分徹底脫出。

      3．加強(qiáng)計(jì)量管理、建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度

       嚴(yán)格貫徹執(zhí)行SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn)，確保裝置完全符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度，如定期維護(hù)制度、周期送檢制度，加強(qiáng)對(duì)天然氣生產(chǎn)情況的監(jiān)測，及時(shí)消除誤差。

       在孔板流量計(jì)日常使用過程中，要確保準(zhǔn)確的計(jì)量，還應(yīng)至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點(diǎn)、儀表D/A從轉(zhuǎn)換通道、核對(duì)流量計(jì)算程序，對(duì)有坑蝕及劃痕的孔板應(yīng)及時(shí)更換。長慶氣田根據(jù)氣質(zhì)的凈化程度，規(guī)定集氣站每月清洗檢查一次孔板，貿(mào)易交接計(jì)量孔板每半月和用戶一起檢查清洗一次，同時(shí)還配備孔板綜合測試儀定期對(duì)孔板進(jìn)行幾何尺寸檢定，使集氣站單井計(jì)量輸差能有效控制在±1.5%以內(nèi)，貿(mào)易計(jì)量輸差在±1.0%以內(nèi)。

       4．量值溯源是確保天然氣計(jì)量準(zhǔn)確度的有效措施

      （1）當(dāng)孔板節(jié)流裝置的一次裝置設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)使用完全符合SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn)中1～7章的全部技術(shù)要求時(shí)，即可達(dá)到幾何和流體力學(xué)相似，在此基礎(chǔ)上可以執(zhí)行單參數(shù)溯源，節(jié)流裝置部分用長度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸干檢，壓力、溫度、時(shí)間或氣樣分析用各自的標(biāo)準(zhǔn)器具或標(biāo)準(zhǔn)樣氣進(jìn)行檢驗(yàn)，并將標(biāo)準(zhǔn)器與國家基準(zhǔn)建立溯源鏈。

      （2）對(duì)用于貿(mào)易計(jì)量的孔板流量計(jì)量裝置，建議流量計(jì)投入使用前或使用一段時(shí)間后，進(jìn)行實(shí)流檢定或校準(zhǔn)，以保證一次儀表的準(zhǔn)確度。

      （3）天然氣組成分析應(yīng)采用GB/T13610規(guī)定的方法進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)氣體應(yīng)選擇經(jīng)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局考核合格的、有合格證并標(biāo)有不確定度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，標(biāo)氣準(zhǔn)確度應(yīng)不低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氣體（2.0%）。在條件許可的條件下，應(yīng)開展天然氣在線組成分析和物性參數(shù)的在線測定。

      三、結(jié)束語

      客觀地講，在采用孔板流量計(jì)測量天然氣流量時(shí)，如果對(duì)孔板流量計(jì)的一次裝置（孔板節(jié)流裝置）和二次儀表（差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數(shù)計(jì)量器具等）配套儀表的選擇、設(shè)計(jì)、安裝、使用都嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并在受控狀態(tài)下使用時(shí)，其流量測量準(zhǔn)確度是可以控制在±1%～±1.5%范圍內(nèi)的。

      參考文獻(xiàn)

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