摘 要：差壓式(shi)孔闆流量計
目前(qian)仍是我國進行天(tian)然氣流量計量的(de)主導流量計,截至(zhì)㊙️2025年12月氣田應用該(gāi)型流量計總量近(jin)300套。SY/T6143-1996“天然氣流量的(de)标準⭐孔闆計量方(fang)法”标準中認爲,天(tian)然氣🈚流量測量不(bu)确定度主要由3個(ge)方面引起:流量計(jì)算方程描述流動(dong)狀态真實性的不(bu)确定因素;被測介(jie)質實際物理性質(zhi)的不确定度因素(su);測量中重要設備(bèi)的不确定度因素(su)。爲此,從以⭕上3個方(fāng)面對差壓式孔闆(pan)流量計進行了不(bú)确定度研究和實(shi)驗,包括流出系數(shu)、孔闆技術指🧑🏽🤝🧑🏻标的(de)變化對天然氣流(liú)量的影響,可膨脹(zhàng)系數、二次儀表的(de)不确定度、天然氣(qi)💘組分變化、天然氣(qì)含水對天然氣流(liú)量的影響,并就這(zhe)些🐅誤差因素分别(bié)從節流裝🚩置的選(xuǎn)擇、脈動流的改善(shan)㊙️、規範🈲各項規章制(zhi)度、建立量值溯源(yuan)體系等方面提出(chū)了建議🌈。
我國
天然(rán)氣流量計
量目前(qian)仍以差壓式孔闆(pan)流量計爲主,僅氣(qi)田目前就有近300套(tao)。由于孔闆流量計(ji)的誤差影響因素(sù)較多,往往造成計(ji)量不确定度增大(dà)。通過在氣田近幾(ji)年的使用與研究(jiu)💃,在孔闆流量計的(de)誤差研究方面積(ji)累了一些使用經(jing)驗,提出了相應的(de)對策📞予以改善或(huò)消除,以期對同行(háng)有所💃🏻裨益。
一、誤差(cha)來源分析
天然氣(qì)流量測量中的不(bu)确定度主要來源(yuan)于以下3個☎️方面:①流(liu)量計算方程中描(miáo)述流體流動狀态(tai)的真實性不确🆚定(dìng)度因素;②被測介質(zhi)實際物理性質(物(wu)性🧑🏽🤝🧑🏻因素)的⁉️不确定(ding)度因素;③測量中重(zhòng)要設備的不确定(ding)度因素。
針對以上(shàng)3方面因素做具體(tǐ)分析如下。
1.流量計(ji)算方程中描述流(liú)體流動狀态的真(zhen)實性
的不确定度(dù)因素
(1)流出系數C
計(ji)算公式爲:
(1)流出系(xi)數C是在上遊直管(guan)段充分長的實驗(yàn)條件下,并且孔闆(pan)節流裝置在滿足(zu)規定的技術指标(biāo)下進🚶♀️行校準标定(dìng)的,才具有計量特(te)性。
當氣流流束在(zai)孔闆前1D處完全充(chōng)滿管道,且爲紊流(liu)狀🐆态時,流出系數(shu)C的百分誤差爲:
設(she)有一套法蘭取壓(ya)的孔闆測量裝置(zhi),D=50mm,設計β=0.5刻度流量時(shí)💰的ReD0=1×106,設ReD1=2×104、ReD2=5×104、ReD3=1×105、ReD4=1×107、ReD5=1×108、ReD6=1×108,經過查表或(huo)計算得出C0=0.6034;C1～C6見表1,δ=(Ci-C0)/C0。
(2)由(you)上例可以看出:當(dāng)速度剖面較充分(fèn)發展的速度剖面(mian)尖時(雷諾數小),流(liu)出系數會變大,當(dāng)速度剖面較充分(fèn)發展的速度剖面(mian)🈲平時(雷諾數大),流(liú)出系數會變小。流(liu)出系數C随着流量(liang)的增大而減小,實(shí)際流量越小于刻(ke)度流量,則流出系(xi)數C引起的流量誤(wù)差會越大。
(3)孔闆流(liu)量計的流出系數(shu)C不是一個固定值(zhí),它随雷諾數的變(bian)化而變化,但是當(dang)雷諾數增大到某(mou)一數值時,變化量(liàng)減小。對于法蘭取(qǔ)壓,雷諾數應該在(zai)106以上,對于角接取(qu)壓,雷諾數應在2×105以(yǐ)上。
流量測量不确(que)定度中和流出系(xi)數有關的相關項(xiang)㊙️爲孔💋闆開孔直徑(jìng),大小爲δd/d=±0.07%,測量管直(zhi)徑,大小爲δD/D=±0.4%,β值允🌐許(xu)0.75≥β≥0.2。據公式計算出C的(de)💔變化範圍爲:±0.0197%～±0.1791%。
2.孔闆(pan)粗糙度、銳利度、平(píng)整度的影響
SY/T6143-1996對孔(kǒng)闆的直角入口做(zuo)了嚴格的規定,即(ji):無卷口、無毛☔邊、無(wu)目測可見的異常(chang)現象,并且是尖銳(ruì)的直角,若邊緣形(xíng)♋成圓🔴弧,其圓弧半(bàn)徑rk≤0.0004d,孔闆開孔内圓(yuan)柱面與孔闆上遊(yóu)端面垂直,誤差小(xiǎo)于±1°,粗糙度高度參(cān)數📱Ra≤0.0004d,且不影響尖銳(ruì)度測試。
對于孔闆(pan)性能對流量的影(yǐng)響,做過相應的對(duì)比試驗:分别取DN100mm的(de)标準孔闆,編号爲(wèi)GKF75761,經檢測其rk爲0.05mm(允許(xu)值小于🌈等于0.04mm),GKF78790其粗(cū)糙度高度參數爲(wèi)Ra爲45μm(允許值小于等(děng)于40μm)。編号爲GKF75007的各項(xiàng)指标均符合要求(qiu)的孔闆進行一相(xiàng)對穩定的氣流測(ce)量,測試中将不符(fu)合規格孔闆放在(zài)氣井單💞量裝置,标(biao)準孔闆放入氣井(jing)外輸裝置🐇,忽略裝(zhuang)置之間的差異,某(mou)單井一天天然氣(qi)流量測試結果見(jian)表2。實驗表明,忽🔞略(luè)氣流的微小波動(dong),對于rk超差的不合(hé)格孔闆其計量誤(wù)差範圍爲-2.81%～3.14%,Ra超差的(de)不合格孔闆計量(liàng)誤差爲👈-2.58%～2.72%,若rk、Ra超差嚴(yan)重則氣量偏差更(geng)大,甚至可達到10%。
3.被(bèi)測介質實際物理(li)性質的不确定度(du)因素
(1)标準中要求(qiu)流經天然氣的流(liu)體爲氣流必須是(shi)單相的牛頓流⛹🏻♀️體(tǐ)。若氣體含有質量(liàng)分數不超過2%的固(gu)體或🏃♂️液體微粒,且(qie)呈均勻分散狀态(tai),也可被認爲是單(dān)相的牛頓流🈲體。
在(zài)實際使用中,從井(jing)口到計量管線的(de)過程中,天然氣通(tōng)常攜帶一定量的(de)水、脫水劑和凝結(jié)液。這些液體來自(zi)分離效果差的分(fèn)離器和負荷大的(de)脫水單元,當流動(dòng)溫度㊙️和壓力變化(hua)時,氣體中❓的重烴(tīng)組分也會凝析出(chu)來。
實驗爲将經過(guo)标準
渦輪流量計(jì)
計量的天然氣在(zài)通過注水管注水(shui)後用
孔闆流量計(jì)
進行計量。其結論(lun)爲:①用孔闆流量計(jì)測量氣體流量,當(dāng)氣體中夾帶少量(liang)液體時,流量測量(liang)不确定度偏💜高,測(ce)量的🏒濕氣流量随(sui)β的㊙️增加而減少,在(zài)β比爲0.7時,測得的流(liú)量偏差💋爲-1.7%;②當夾帶(dài)少量液體時,在β比(bǐ)爲0.5時表❌明孔闆性(xing)能較好,但是應将(jiang)夾帶液體在孔闆(pan)上遊💞脫出,以獲得(de)最佳的計量🌐性能(neng);③用舊的孔闆流量(liang)計測量濕氣,流量(liang)👅計量值将降低❓3%。
這(zhè)項研究結果說明(míng),天然氣在進入計(ji)量裝置以前,如果(guo)要獲👈得非常好的(de)計量性能,應完全(quán)脫除天然氣中所(suǒ)含的水分,對🥵于日(ri)處理氣量近百萬(wàn)立方米📱的集氣站(zhàn),這一點非常重要(yao)。
2)可膨脹系數(ε)
式中(zhōng):κ表示等熵指數。
可(kě)膨脹系數的百分(fen)誤差爲:(±4Δp/p1)%。由于誤差(cha)系數的影響,如被(bèi)測系統🥵壓力低到(dào)4Δp/p1可以和β比較,被測(cè)系統壓力将直接(jiē)影響到測試正确(que)率。當被測系統壓(yā)力爲高壓系統🛀時(shi),可以忽略該⭐項誤(wu)差。目前在天然氣(qì)計量中差壓一般(ban)在500～50000Pa範圍内,靜壓在(zai)1～10MPa範圍内。因此ε的誤(wu)差最小爲±0.0002%,最大爲(wèi)±0.2%(甚至會更大)。
(3)天然(rán)氣相對密度的影(yǐng)響
密度參數是天(tian)然氣測量中極爲(wei)重要的物性參數(shù),密度㊙️測量的不确(què)定度對整個測量(liàng)系統的不确定度(du)有着很大影🌈響,目(mù)前國内普遍采用(yong)測量氣流壓力、氣(qi)流溫度和💃🏻定時取(qu)❌樣得到氣流全組(zu)分,由于壓力溫度(du)的波動,天然氣的(de)相對密度并不是(shì)一個固定值。密度(dù)不❓确定度估算公(gong)式爲:
根據計量條(tiáo)件估算密度帶來(lái)的不确定度:當儀(yi)表精度🌈較低且運(yun)行在下限時,不确(que)定度爲±1.818%;反之不确(que)定度❓則在±0.793%,由此可(ke)見密度在流量測(ce)量中至關重要。所(suǒ)以爲了準确進行(háng)天然氣計🤟量,選用(yòng)🐅在線氣相色譜儀(yi)進行組分在線分(fen)析是十分必要的(de)。氣田在向北京、陝(shǎn)西、甯夏以及西氣(qi)東輸供氣的外貿(mào)計量裝置上均采(cai)用♈了在線色譜,平(ping)均5min采樣分析一次(ci),能夠及時檢測到(dao)組分的變化情況(kuàng),提高了計量精度(dù)。
4.測量中重要設備(bèi)的不确定度因素(su)
該項不确定度因(yīn)素主要體現在孔(kong)闆β比選擇方面、還(hái)包括二次儀表的(de)不确定度:
(1)β比選擇(ze)
根據SY/T6143-1996中的體積流(liu)量不确定度公式(shì)爲：
據式(4)可以計算(suàn)出直徑比β與流量(liang)不确定度δQn/Qn的關系(xì)如表3所示👄。
由表3可(kě)以看出,當其他參(cān)數不變的情況下(xià),直徑比🔴β的變化對(dui)測量不确定度的(de)影響是很大的,現(xian)場應用中❓,操作人(ren)員常根據氣量的(de)變化來更換不同(tóng)内徑的孔闆來滿(man)足使用要求,此時(shí),直徑比成了影響(xiang)正确率的主要可(kě)變因素。β與流量測(ce)量綜合不确定☂️度(dù)的關系如圖1所示(shi)。結論爲:不确定度(du)基本随着β增🔴減而(ér)增減,當β小于0.6時,不(bu)确定度的變化很(hěn)小,基本爲一條直(zhí)線;随着β的增大,不(bu)确定度迅☔速增大(dà),當β=0.75時,不确定度達(dá)到最大。
(2)二次儀表(biao)的不确定度
由于(yú)目前天然氣計量(liàng)大多采用計算機(ji)智能化數據采集(ji)、數據🍓處理A/D轉換精(jing)度高,量化誤差的(de)影響可以忽🐕略,差(cha)壓、壓力、溫度的測(cè)量由于大量精度(dù)智能🏒化變送✊器的(de)應用使二次儀表(biǎo)對整個流量系統(tong)的誤差成爲了非(fei)主要影響因素。
1)壓力儀表測量誤(wù)差:主要由壓力測(ce)量儀表的精度✨引(yin)起(儀表正🐅确率受(shòu)溫度變化影響)。采(cǎi)用3051T型變送器在5.0MPa工(gōng)作,溫度變化在30℃左(zuo)右。
溫度影響:±0.15%;
最終(zhong)精度爲:ζ=±0.225%(儀表校驗(yàn)誤差爲±0.075%)。
2)差壓儀表(biǎo)測量誤差:主要由(yóu)儀表精度、儀表安(an)裝位置、導壓管引(yin)起。采用3051CD型變送器(qì)在5.0MPa工作,溫度變化(huà)在30℃左右。
溫度影響(xiǎng):±0.075%;
靜壓力影響:±0.15%;
安裝(zhuang)位置可通過零點(diǎn)調整予以消除。
其(qí)最終精度爲:ζ=±0.30%(儀表(biǎo)校驗誤差爲±0.075%);
導壓(ya)管引起誤差爲:±0.2%;
總(zǒng)體差壓誤差爲:±0.36%。
3)溫(wen)度儀表測量誤差(chà):主要由儀表精度(dù)和安裝位置正确(que)性影響。
溫度儀表(biao)精度爲:ζ=±0.5%。
安裝位置(zhi)的影響在标準規(guī)定範圍内忽略不(bu)計。
(3)計量條件下天(tian)然氣流量測量的(de)不确定度假定流(liu)量測量裝置爲理(li)想狀态,已知條件(jian):天然氣外輸測量(liàng)管D20=205mm;d20=103.76mm;p=4.50MPa;Δpmax=54kPa;溫度計上限爲(wèi)50℃,正确率爲0.2級,壓力(lì)、
差壓變送器
正确(què)率爲0.1級。據式(4)則有(yǒu)不确定度爲:
二、控(kòng)制誤差提高計量(liàng)正确率的方法
因(yīn)爲天然氣流量測(cè)量計算的不确定(dìng)度是在其他影響(xiang)因素都不存在附(fu)加誤差的情況下(xià)計算得到✂️的,但是(shì)使用中由于各種(zhong)原因會帶來一定(ding)的附加誤差,這是(shì)需要💘消除的。根據(jù)實際應用♌情況,提(ti)出以🍓下控制方🈲法(fǎ)及建議。
1.孔闆節流(liú)裝置必須符合标(biao)準
孔闆節流裝置(zhi)在使用前的安裝(zhuang)中應按照标準安(ān)裝🈲設📧計,根據孔闆(pan)前阻力件形式配(pèi)接足夠長度的直(zhí)管段,一般應🤞至少(shǎo)前30D,氣田在開發初(chū)期部分集氣站因(yin)爲設計原⁉️因流量(liang)計直管🧡段長度爲(wèi)前10D後5D,造成天然氣(qì)計😘量輸差達到±5%～±8%,分(fen)析原因後經過技(ji)術改造,計量管段(duan)改爲前30D後10D,使計量(liang)輸差降低到±1.5%。
2.氣流(liu)中存在脈動流的(de)改善措施
天然氣(qi)從地層中采集後(hou)經節流、分離、淨化(huà)後一般能達🈲到均(jun1)勻單相的牛頓流(liú)體,在天然氣計量(liàng)中由于各種原因(yīn)使天然氣脈動,可(ke)以采取以下措施(shi)減小脈動流的影(yǐng)響。
(1)在滿足計量能(néng)力的條件下,應選(xuan)擇内徑較小的測(ce)🌏量管,使Δp、β在比⛹🏻♀️較高(gāo)的雷諾數下運行(hang)。
(2)采用短引壓管線(xiàn),盡量減少引壓管(guǎn)線系統中的阻力(li)件🌈,并使上🧑🏾🤝🧑🏼下遊管(guǎn)線長度相等,以減(jiǎn)少系統中産生諧(xié)振和壓力脈動振(zhen)幅☂️的增加。
(3)從管線(xiàn)中除去遊離液體(tǐ),管線中的積液引(yin)起的脈👄動可以采(cai)🧡用自動清管系統(tong)或低處安裝分液(ye)器來處理。
爲使天(tiān)然氣具有最佳的(de)計量性能,應将天(tian)然氣中的水分徹(chè)底🏃🏻♂️脫出。
3.加強計量(liang)管理、建立健全各(ge)項規章制度
嚴格(gé)貫徹執行SY/T6143-1996标準,确(què)保裝置完全符合(hé)标準的技術要求(qiú)。建立健全各項規(guī)章制度,如定期維(wéi)護制度☀️、周期送檢(jian)制度,加強對天然(ran)氣生産情況的監(jiān)測,及時消除👣誤差(chà)。
在差壓式孔闆流(liu)量計日常使用過(guò)程中,要确保準确(que)的計量,還🔞應至少(shǎo)每月一次清洗檢(jiǎn)測孔闆、檢查儀表(biǎo)零點、儀表D/A轉換通(tōng)道、核對流量計算(suàn)程序,對有🈲坑蝕及(jí)劃痕的孔闆應及(ji)時更換。氣田根據(jù)氣質的淨化程度(du),規定集氣站每月(yuè)清洗檢查一次孔(kǒng)闆,貿易交接計量(liàng)孔闆每半月和用(yong)戶一起檢查清洗(xi)一⛱️次,同時還配備(bei)孔闆綜合測試儀(yi)定期對孔闆進行(háng)幾何尺寸檢定,使(shi)💃集氣站單井計量(liang)輸差能有效控制(zhì)在±1.5%以内,貿易計量(liàng)🌂輸差在±1.0%以内。
4.量值(zhí)溯源是确保天然(rán)氣計量正确率的(de)有效措施🈲
(1)當孔闆(pǎn)節流裝置的一次(cì)裝置設計、制造、安(ān)裝、檢驗和使用完(wan)🌈全🔱符合SY/T6143-1996标準中1～7章(zhāng)的全部技術要求(qiú)時,即可達到幾何(hé)和流體力學相似(si),在此基礎上可以(yǐ)執行單參⭐數溯源(yuán),節流裝置部分用(yong)長度标準進行幾(ji)何尺寸幹檢,壓力(lì)、溫度、時間或氣樣(yàng)分析用各自的标(biao)準器具或☔标準樣(yang)氣進行檢驗,并将(jiāng)标準器與國家基(ji)準建立溯源鏈。
(2)對(dui)用于貿易計量的(de)孔闆流量計量裝(zhuāng)置,建議流量計投(tóu)入使用📐前或使用(yòng)一段時間後,進行(háng)實流檢定🔞或校準(zhǔn),以保證一次儀表(biao)的正确率。
(3)天然氣(qi)組成分析應采用(yong)GB/T13610規定的方法進行(háng),标準氣體應選擇(ze)經國家質量技術(shu)監督局考核合格(gé)的、有合格證并标(biao)有不确定度的标(biāo)準氣體,标氣正确(què)率應不低于二級(ji)标準氣體(2.0%)。在條💃🏻件(jian)許可的條件下,應(yīng)開展天然氣在線(xian)組成分析和物性(xing)參數的在線測定(ding)。
三、結束語
客觀地(di)講,在采用孔闆流(liú)量計測量天然氣(qi)流量時,如果對差(cha)壓式孔闆流量計(ji)的一次裝置(孔闆(pǎn)節流裝置)和二次(ci)儀表(差壓、靜壓、溫(wēn)度、天然氣物性參(cān)數♌計量器具等)配(pei)♋套儀表的選擇、設(shè)計、安💚裝、使用都嚴(yán)格按照有關标準(zhǔn)進💔行,并在受控狀(zhuang)态下使用時,其☀️流(liú)量測量正确率是(shi)可以控制在±1%～±1.5%範圍(wéi)内的。
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