孔板流量计在普光气田的应用与误差分析
摘要：普光气田是迄今为止中国规模***大、丰度***高的特大型整装海相气田之一。普光气田的气质特殊，属高含硫化氢和二氧化碳，硫化氢含量15.16%，二氧化碳含量8.64%。普光气田在天然气外输计量中选用的流量计量仪表采用的是孔板流量计。本文说明孔板流量计在普光气田的使用情况，并针对存在的计量问题进行了分析。
1.孔板流量计的计量原理：
孔板流量计是基于流体流动的节流原理，以能量守衡和流动连续性方程为基础，利用流体流经节流元件时在其前后产生压差，而此差压值与流量平方成的正比关系来计算流量的。
（1）差压法测气原理具有一定压力、充满管道的天然气在流经管道内的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，从而流速增大，静压降低。在节流装置前后便产生了压差，流量越大则产生的压差也越大，这样通过测量压差的大小就可以间接地知道流量的大小，这就是差压法测流量的原理。
（2）流束局部收缩和压差的产生在孔板前，连续流动着的流体将遇到孔板的阻挡。在管壁处的流体由于受孔板阻挡，阻力***大，使流体速度降低，部分动能转变成静压能，其结果使孔板入口端面接近管壁处的流体静压力升高。而管道中心流速***大，静压较低，使其在同一端面形成径向压力差，其结果将使流体质点在这一径向压差作用下产生一径向加速度。在这一径向速度作用下，靠近管壁处的流体质点以偏转一个角度向孔口流动，形成了流束的局部收缩。
由于流体运动的惯性，流经节流装置后流体将继续保持原来的流动方向，在孔板出口端面形成一***小收缩截面，此处流束截面***小，流速达***大，压力较低。此后，流束又逐渐扩大，压力逐渐恢复升高，直到流体充满整个管道，压力恢复到***大值。但孔板后的压力并没有恢复到原来的数值，两者压力之差，即为流体流经节流装置后所产生的压力损失。此压力损失主要是由流体流经节流装置后流束突然扩大所产生涡流呆滞现象所造成的。对于天然气而言，在标准状态下天然气流量的实用计算公式为：
式中：qn——标准状态下天然气体积流量，单位为立方米每秒（m3/s）；As——秒计量系数，视采用计量单位而定，此式 As= 311794×10-6；C——流出系数；E——渐近速度系数；D——工况下孔板开孔直径，单位为毫米（mm）；FG——相对密度系数；ε——可膨胀系数；FZ——超压缩因子；FT——流动温度系数； p1—— 孔板上游侧取压孔气流静压，单位为兆帕（MPa）；Δp—— 气流流经孔板时产生的差压，单位为兆帕（MPa）。
孔板流量计是应用***为广泛、***为普遍的压差式流量计。孔板流量计由三部分组成，即将被测流体的流量变换成差压信号的节流装置。其中包括节流件孔板和取压装置；传输差压信号的管路；测量差压值的差压变送器及显示仪表。
孔板流量计按照是否可以带压更换孔板，分为一体式孔板流量计和孔板流量计（孔板阀）。优点：原理简明，结构简单，应用技术成熟，容易掌握；适应性强，可实现在线更换、清洗、检查孔板；性能稳定可靠，使用寿命长；孔板为标准节流件，不需要标定。 缺点：量程比小，一般为 3: 1～5: 1；压力损失较大；受影响因素较多，不确定度大；对前后直管段要求高。
由于普光气田介质的特殊性，硫化氢含量 15. 16%，二氧化碳含量 8. 64%，流量计量仪表采用的是孔板流量计，由孔板阀、FLOBOSS103 流量计算机及过程连接件组成。
1.普光气田酸气外输采用是丹尼尔孔板阀，采用的检测元件是标准孔板节流装置，该装置设有上、下两个密封腔，以及滑阀部件，其密封性能可靠，可实现在线更换、清洗、检查孔板，孔板阀的操作也灵活方便。
装置上、下腔间的密封件采用全硬密封结构，阀板和阀座采用 316L 材质，设有注脂辅助密封结构，可以防止阀座、阀板密封面上污物的沉淀和结垢。
阀体由上、下两部分组成，中间滑阀连通或切断，设有密封脂注入机构。下阀腔与孔板上游连通，当孔板阀正常工作时，滑阀关闭，下阀腔压力与上游管内压力相等，上阀腔压力与大气压力相等，在上、下阀腔之间产生较大的压力差，此压力差作用在滑阀下方，从而增强其密封性。
孔板阀底部设有排污阀，用于定期吹扫排除阀内污物杂质。上阀腔亦设置有放气孔，可接一开关，排出上阀腔内介质。
2.普光气田地面集输系统选用的流量计算机为艾默生的 FLOBOSS 103 流量计算机，集成差压、静压双变量变送器、RTD温度变送器和流量计算功能为一体。FloBoss 103 检测孔板两侧差压及管道静压，并通过 Pt100 热电阻采集流体温度，可以就地显示这些测量值，同时也可通过标准的 MODBUS RTU 协议和 RS485 通讯接口将参数值传给站控 SCADA 系统。可以接收上位机控制系统下载的气体组分信息，也可通过 MODSCAN 32 软件通过串口通讯向 FloBoss 103 内写入气体组分信息，还可通过配置软件 ROCLINK 800 人工输入组分信息。
双变量变送器（DVS）采用成熟可靠的罗斯蒙特电容元件技术测量差压。同时利用压阻和硅传感器技术检测静压，测量的过程值、稳定和可重复性好。其专用微处理器使用存储在存储器中的特征化数据对原始传感器信号进行线性化和校正。读数存储于 FloBoss103 的内部模拟输入点中，通过中断的方式向变送器的处理器发送数据。RTD 温度变送器采用铂电阻 Pt100 来采集现场流体温度，测量范围为 – 40℃ ～240℃ ，精度：± 0. 2℃。
3.过程连接件包括 2 个 1/4NPT 的取压阀，五阀组及引压管。双变量变送器(DVS) 底部具有 2 个 1/4-18 NPT 内螺纹，用于连接孔板上的引压管。上、下游管线通常连接到孔板的高、低压测。取压阀、五阀组和导压管均采用哈氏合金材质。
在普光气田现场，各集气站场单井计量、单站外输计量及集气总站外输总计量均采取孔板阀配套差压检测仪表使用。