高压天然气流量计在线核查研究

随着天然气工业的发展, 天然气贸易量与日俱增, 经济全球化的推进, 我国天然气贸易交接计量越来越多, 天然气计量的准确可靠性愈来愈受到关注, 已关系到国计民生。天然气易燃、易爆、可压缩、组分复杂等特性, 导致天然气计量成为全球计量学领域中的难点, 为了提高天然气计量准确性, 确保计量准确可靠, 按照《计量法》要求需定期对天然气流量计进行检定和校准[1-2], 确保流量计的准确可靠。

按照流量计检定规程[3-4]的要求, 现场在用的流量计检定周期一般为2年, 由于流量计使用条件较为复杂, 影响流量计的因素多, 在检定周期内流量计的性能可能会发生变化, 影响买卖双方贸易计量的公平, 所以需要定期对检定周期内的流量计进行在线核查, 确认流量计工作性能及准确度, 目前主要核查方式有超声流量计的使用中检验和流量计比对。

随着超声流量计计量技术的不断发展, 目前在用超声流量计的厂家均配备使用中检验的配套软件, 按照标准GB/T 30500—2014《气体超声流量计使用中检验声速检验法》[5]对超声流量计的声速、信号质量、增益、信噪比、流速系数5个参数进行诊断, 通过这些参数的监测, 可分析流量计的性能, 确认流量计的工作状态。这些参数的组合可作为形成专用监测系统的基础。有关自诊断信息分析方法的示例如表1所示。

表1 自诊断信息分析示例表     下载原表

流量计的使用中检验可分析流量计的工作状态, 确保在用流量计的性能正常, 但是, 流量计的各项分析参数正常并不能确认计量的准确度一定好, 仅能作为一种辅助手段进行参考, 同时由于涡轮流量计是机械原件, 无法对涡轮流量计进行诊断, 进而判断涡轮流量计的性能。

流量计比对是选用2台流量计串联安装或者通过流程切换使2台流量计串联的方式进行测试, 比较2台流量计相同时间段内的累计流量值, 进而分析流量计的计量性能, 如图1所示。

通过定期比较2台流量计流量偏差, 确保在检定周期内流量计的偏差在检定规程允许的范围内, 该种方法可使用所有类型流量计, 较使用中检验可更直接反映流量计计量的准确性。

图1 流量计比对安装示意图

流量计在线比对较使用中检验有较大的优势, 但是受现场流程条件限制, 实施起来难度较大。流量计对上下游直管段要求较为严格, 由于大多数场站的设计局限, 现场无法再串联安装1台流量计, 同时反复的拆装也会影响现场实际生产供气, 需要投入大量的人力物力, 为了解决这一技术难题, 可通过以下技术路线进行流量计比对。

通过不同类型流量计的性能分析, 可选用一台便于安装, 不需要拆装直管段的外夹式超声流量计作为比对参考流量计, 如图2所示。

图2 外夹式超声流量计示意图

外夹式超声流量计是一种将换能器固定在流体管道外, 声波传播的路径透过流体管道壁的流量计, 具有以下技术特点: (1) 安装便捷且成本低; (2) 独立测量, 不依赖流体的传导性和压力; (3) 无压损, 无泄漏; (4) 可对现有设备回顾安装; (5) 无需切断管道, 不用中断生产, 不用停止设备; (6) 不与介质接触; (7) 准确度较低, 长期稳定性较差, 受安装条件影响大。

外夹式超声流量计较适合现场工艺条件, 但是准确度和稳定性较差, 外夹式流量计的测量值无法作为参考值, 但可利用外夹式流量计短期稳定性较好进行流量计之间比对。现场计量工艺流程如图3所示, 由多条计量支路并联组成计量橇, 但各计量支路无法通过流程切换实现串联安装, 可通过在计量橇上游选一直管段安装外夹式流量计, 通过每条支路与外夹式流量计的偏差, 计算各计量支路之间的偏差。

图3 流量计实流比对流程示意图

式中:E1为计量支路1与外夹式流量计的偏差;Q1为计量支路1的流量值;Qwai为外夹式流量计的流量值。

式中:E2为计量支路2与外夹式流量计的偏差;Q2为计量支路2的流量值。

式中:E3为计量支路2与计量支路1的偏差。

同理可得出其他支路之间的偏差值。

(1) 流量计检定完成现场安装后录取第1次数据, 次数据作为参考值, 每隔一段时间做一下测试, 测试结果与第1次测试结果进行比对, 分析流量计计量的稳定性的变化, 确认流量计的计量性能, 确保贸易计量交接的准确可靠。

(2) 第1次的测试结果, 需要对2台流量计测试结果的偏差与合成不确定度进行比较, 分析流量计的准确度。

可实现实时采集2台流量计及配套温度、压力仪表信号, 并进行流量、温度和压力补偿计算, 存储数据, 生成报告等功能。

主要设备应包括:数据采集计算机、MPU、输入模块、脉冲/频率信号采集卡、计时模块、通信模块、脉冲信号隔离放大器、浪涌保护器等组成。

天然气工作条件下的压缩因子使用AGA Report No.8[6]规定的方法计算, 数据采集软件内自带压缩因子计算模块, 可手动输入温度、压力和组分获取压缩因子计算结果用于验证数据采集模块计算结果的可靠性。

涡轮流量计瞬时流量计算使用GB/T 21391[7]或ISO 9951[8]规定的方法计算, 修正因子 (误差) 和流量关系式使用多点插值修正方法。

超声流量计瞬时流量计算使用GB/T 18604[9]或AGA No.9[10]或ISO 17089[11]规定的方法计算, 修正因子 (误差) 和流量关系式使用多点插值修正方法。

脉冲/频率、温度、压力信号的采集均采用累积量, 采取相同时间段内的累计流量值, 避免由于瞬时值波动引入较大的误差。

以某管道公司贸易计量交接站为例进行实际应用分析, 该站计量橇选用3条DN200的计量支路, 流量计信息如表2所示, 比对流量计选用外夹式超声流量计, 安装于DN200的直管段。

表2 流量计信息一览表

按照上文所说方法进行测试, 测试流量点为1 500m3/h, 按照式 (1) ~式 (3) 进行计算, 测试结果如表3所示。

表3 比对测试结果

通过测试结果可分析:

(1) 3台流量计检定完成后首次比对结果符合规范要求, 流量计安装完成后性能良好。

(2) 3台流量计在检定周期内相互之间偏差的变化值均小于0.7%, 符合标准要求, 证明3台流量计的稳定性能较好。

(1) 在对贸易计量交接站设计时, 可增加计量橇的对比流程, 实现定期对在用贸易计量流量计进行实流在线比对, 确保流量计计量性能良好[12-13]。

(2) 在不具备在线实流比对工艺流程的场站可选用外夹式超声流量计作为传递值对计量橇各支路进行比对, 确认流量计的计量性能。

(3) 对于超声流量计需要定期进行使用中检验, 对于性能参数异常的流量计需要及时处理, 必要时重新送检, 确保现场计量结果的准确可靠。

(4) 利用外夹式超声流量计进行比对的方法可用于各管道公司计量输差的查找及控制, 提高计量管理水平, 维护公司利益。