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孔板流量计计量存在的问题及措施
发布时间:2019-07-25

摘要:随着世界天然气工业的迅速发展,天然气贸易的频繁,对天然气的准确计量要求越来越高。目前国内孔板流量计占90%以上,而影响该流量计计量准确度的因素很多,包括流体特性、仪表性能、安装、环境条件等方面,要解决或减少这些影响因素,必须加强管理、正确选用仪表及加强技术培训,提高人员素质。
1前言
  天然气在世界能源结构中所占的比例不断上升,据统计1970年为17.7%,1980年为18.8%,1990年为21.5%,2000年为22.3%,预计2010年为24.3%。目前天然气的年产量已达到2.3×104亿m3左右。天然气的产区与其消费地区之间的距离就决定了此项能源的国际贸易量颇大,20世纪90年代以来此数字不断上升,现已达到4200亿m3/a,其中75%以上由管道输送,其余则为液化天然气。我国是天然气资源丰富的国家之一,天然气远景储量约达38×104亿m3,其中陆上占79%,海上占21%。天然气的生产、利用过程是一个流程复杂、规模大、速度快且连续运行的系统。在这个系统中,无论是在井场、集气站、配气站,还是在使用者家庭都可见到用于不同目的的各种流量测量仪表。其计量的准确与否受到人们的普遍重视,因此计量的准确度是选择任何类型的流量计都必须考虑的重要指标。在实际应用中,影响流量计计量准确度的因素很多,下面就几个方面进行论述。
2目前孔板流量计计量中存在的问题
  流量计量仪表品种多,计算模型五花八门,如标准孔板流量计涡街流量计漩涡流量计超声波流量计等,除了标准孔板流量计外,余者皆缺乏必要的标准或规范支持。
  孔板流量计在20世纪初即使用于天然气流量测量,经过一个世纪的漫长发展过程,它已成为全世界最主要的天然气流量计。据估计,目前在国外它约占60%,而在国内占90%以上。美国AGA(美国燃气协会)No.3报告(孔板流量计计量天然气及其它烃类流体)就是针对天然气计量的标准,从中可知,孔板流量计测量天然气流量已经进行过非常深入细致的研究试验,积累了丰富的实践经验,在量的基础上产生了质的飞跃,其标志就是标准化——用标准孔板流量计,可以无须校准而确定信号(差压)与流量的关系,并估算其测量误差,目前在全部流量计中它是唯一达到此标准的。
  孔板流量计的主要特点为结构易于复制、简单牢固、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉等。整套流量计由节流装置、差压变送器和流量显示仪(或流量计算机)组成。它们可以分别由不同厂家生产,易于形成规模生产、经济效益高,各部分组合非常灵活,即使目前推出的一体化孔板流量计,亦可分开生产,再灵活组装。
  在现场恶劣工作条件下,节流装置与差压变送器及其连接部分的引压管线是使用维护的重点。《天然气流量的标准孔板计量方法》(SY/6143-1996)中指出,天然气从地层中开采出来,虽经分离、除尘和过滤,因其所含成份十分复杂,从单井计算、集气计量到配气计量,气体组分不同,所以节流装置在使用中所受到的腐蚀亦各不相同。特别对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲刷、腐蚀尤为严重,这将影响孔板直角入口边缘弧半径和测量管内壁的相对粗糙度,流出系数发生变化,流量测量不确定度超出估计数。输出信号为模拟信号,重复性不高,对整套流量计的精确度影响因素多且错综复杂,因此精确度提高的难度很大。
2.1被测流体特性的影响
  由于天然气本身的性质,会随着外界环境温度的变化而发生复杂的变化,从而影响流量计的测量精度。对于天然气的测量,必须首先确定天然气的工作温度和压力,以免造成密度和压缩系数的过大变化。低密度气体对某些测量方法呈现困难,此时就要改变所选择的测量方法,或者进行温度和(或)压力修正,以保证测量准确度。在评估流量计的适应性时,还要掌握气体的温度—粘度特性,虽然气体的粘度随温度和压力变化较小,但是对流量计量的精确度还是有一定的影响。
  在矿场计量或测量含有杂质的天然气时,杂质会腐蚀仪表接触件,使接触表面结垢或析出结晶,减小活动部件的间隙,从而改变流量计使用性能参数,降低敏感元件的灵敏度或测量性能,影响计量精度。
  对于油田湿气(伴生气),其中含有大量饱和水蒸气,温度降低时有水凝结;分离不净的湿气含有油滴或油污,属脏污介质;间断计量,将有油、水沉积在管线内。它们均属于多组分流动,计量时应谨慎对待[1]。经验表明,单相通用流量仪表用于多组分或多相流体,测量性能会改变(或大幅度改变)。单相流动的气体有时也会呈现双相,例如湿气中水微粒随着天然气流动,环境温度或天然气压力偏离原定状态,仪表就可能不适应。测量气液双相流时尽可能采用分离后分相测量,以保证最小测量不确定度,然而在有些场合这种方法并不切实可行或不符合要求[2]。
2.2仪表性能的影响
  孔板流量计本身引起的误差原因主要有:孔板入口直角锐利度,管径尺寸与计算不符,孔板厚度误差,节流件附件产生台阶、偏心,孔板上游端面平度,环室尺寸产生台阶、偏心,取压位置,焊缝突出,取压孔加工不规范或堵塞及节流件不同轴度等等。这些因素都有可能影响孔板的重复性,重复性是由仪器本身原理与制造质量所决定,它在过程控制应用中是重要的指标。而精确度除取决于重复性外,尚与量值标定系统有关。在实际应用中,仪表优良的重复性被许多因素包括流体粘度、密度等变化所干扰,都会影响测量精度。若仪表输出特性是非线性的,则这种影响更为突出。
  流量仪表输出主要有线性和平方根非线性两种。大部分流量仪表的非线性误差不列出单独指标,而包含在基本误差内。然而对于宽流量范围脉冲输出用作总量积算的仪表,线性度是一个重要指标,使有可能在流量范围内用同一个仪表常数,线性度差就要降低仪表精确度。
  用于脉动流动场所,应注意仪表对流动阶跃变化的响应。有些使用场所要求仪表输出跟随流动变化,而另一些为获得综合平均值只要求有较慢响应的输出。瞬态响应(transientresponse)常以时间常数或响应频率表示,其值前者从几毫秒到几秒,后者在数百赫兹以下,配用显示仪表可能相当大地延长响应时间。Redmedloc认为仪表的流量上升和下降的动态响应不对称会急剧增加测量误差[3]。
2.3流量计安装的影响
  管线布置的偏离造成的安装误差是普遍性的,其主要原因是现场不能满足直管段要求的长度。在流量计安装时首先应考虑管道的布置和天然气的流动方向,有些虽然是能双向工作的仪表,在安装时也要考虑正向和反向之间测量性能是否存在差异。
  大部分流量计仪表或多或少会受进口流动状况的影响,因而必须保证测量流体的良好流动状况。输送管道上安装的定排量泵、往复式压缩机、振荡着的阀或调节器等都是常见的脉动源,上游管道布置和阻流件会引起流动扰动,另外管道直径和方向的急剧改变等不良布置,都会产生脉动,流量计来不及跟随记录脉动扰动,带来测量误差。因此应考虑在仪表前后管道安装支撑件。虽然脉动缓冲器可清除或减小泵与压缩机的影响,然而流量计还是应尽可能避开振动或振动源为好[3]。
  流量计的信号输出显示有流量(体积流量或质量流量)、总量、平均流速、点流速几种,亦可分为模拟量(电流或电压)和脉冲量。目前大部分仪表系统,在仪表上或其附近结合着电子设备。大功率电源不仅会使仪表输出脉冲波动,还会影响仪表工作性能,如电磁流量计的磁场被畸变,影响测量精度。因此电气连接应有抗杂散电平干扰的能力,并且信号电缆应尽可能远离电力电缆和电力源,将电磁干扰和射频干扰降至最低水平。
2.4环境条件方面的影响
  因所使用环境条件不同于预期的,使仪表的一些性能参数和硬件方面也随之发生了改变,从而会改变流量计测量结果。例如:环境温度或介质温度的急剧变化引起湿度的变化,高湿度会加速大气腐蚀和电解腐蚀并降低电气绝缘,低湿度则容易产生静电。
  仪表的电子部件和某些仪表流量检测部分易受环境温度变化影响。例如,仪表尺寸变化,通过仪表壳体传热改变流体密度和粘度等,影响到显示仪表电子元件时,将降低测量准确度。
  此外,影响孔板流量计计量的因素还有气体流速造成雷诺数范围不符合标准规定、管道粗糙度影响等。
3解决孔板流量计计量问题的途径
3.1加强管理,提高人员素质
  孔板流量计易于偏离标准的原因在于仪表本身的工作原理与结构特点,仪器自身误差是制造时产生的,安装和使用误差则是在安装时或长期使用中由于流体介质腐蚀、磨损、沾污等造成的。因此,应严格按技术要求安装流量计量系统,消除安装误差。在使用过程中,操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作,延长其使用寿命,减小计量误差。同时,在实际应用中应强化宣贯《天然气流量的标准孔板计量方法》(SY/6143-1996)的力度。其中提到了减少误差的方法。如附录“节流装置在使用中出现部分偏离标准规定的处理”中规定在实际应用中采取在流出系数中增加2个修正系数,即孔板入口尖锐度修正系数和管壁粗糙修正系数或者采用可换孔板节流装置。因此在天然气计量的实际应用中应深入研究,吃透《天然气流量的标准孔板计量方法》的精髓,严格按标准规定安装、使用、处理数据,保证天然气计量的准确性。
3.2测量仪表的正确选用
  测量仪表应首选标准节流装置,当流量变化范围大时要考虑用宽量程智能差变,其它类型检测仪表在相应的计量天然气的标准出台前,应慎重选用,二次仪表的计量模型应符合SY/T6143-1996的要求计算FZ能输入组份,实时计算C值。
3.3加强技术培训,借鉴国外经验
  引进、消化、吸收近几年发展起来的天然气计量新技术。从国外情况来看,在天然气国际贸易中能量计量几乎已全面取代传统的体积计量,而我国的天然气计量领域中体积计量仍占统治地位。为了尽快与国际接轨,使用单位可以与各科研究院所联合攻关,开展天然气能量计量的试验工作,并在此基础上完成标准化。为了加快试验进度,建议引进国外先进的在线气相色谱系统和流量计算机,在消化引进技术的基础上发展适合我国国情的天然气能量计量系统。

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