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孔板流量计校正-提高计量精度详解


文章日期:2018-12-23|阅读数:


  孔板流量计由一次装置(孔板、取压装置和前后直管段)和二次仪表(温度传感器、压力变送器、差压变送器和流量计)构成[1]。一次装置即节流装置;二次仪表即流量运算装置,压力和差压变送器分别将节流装置中的压力和压差信号转换成标准直流电流4~20mA信号,温度传感器将通过节流装置的流体温度转换成电阻信号,流量积算仪将前三者信号进行充分运算得出计量流量。

  由于孔板流量计工序简单、计量可靠而且成本不高,在气体、液体和蒸汽流量计量中被广泛应用。特别是在天然气计量交易过程中,孔板流量计的应用占90%以上。为此,针对孔板计量方法形成一套天然气流量计量标准SY/T6143-1996[2],目的就是要按照标准要求安装孔板计量设备并规范操作,把系统和不确定性误差控制在允许的范围之内。

  笔者从集输气站计量的角度出发,重点阐述加强管理和操作、提高计量精度的方法,并以大岭集输气站3个管道用户端为研究对象,在分析温度、压力及压差等各要素对流量影响的基础上,定量研究各要素对计量精度的影响,以得到提高孔板流量计计量精度的方法。

1、孔板流量计的结构和测量原理:

  孔板流量计的结构相对简单,安装时在输气管道里放入一个与管轴垂直的圆孔金属板(即孔板),作为压差计量的节流元件,孔板中心要与管道中心线一致,但根据孔板装置取压方式的差异,分为法兰取压孔板(图1)和角接取压孔板。不同的是法兰取压在孔板上游和下游各有一个放置测压管的取压孔,通过测压管测出管道内上、下游的压力得出压差,进而计算流量;角接取压孔板可以单独钻孔取压或环隙取压,原理与法兰取压孔板相似。

20181222163609.jpg

  天然气流经孔板时,流束局部收缩,流速加快,静压力降低,在孔板前后形成压差。孔板的流量测量以气流的流速越大压差就会越大为依据,它们之间符合能量守恒定律和流体连续性方程。李长俊和张永红对天然气流量计算进行了详细的推导[3,4],得到了天然气体积流量Qn计算公式:

Qn=AnCEd2FGεFZFTp1Δ槡p(1)

  其中,秒计量系数An(3.1794×10-6)、流出系数C、渐进速度系数E、孔板开孔直径d、超压缩因子FZ和流动温度系数FT均可看作常数;p1为孔板上游静压;Δp为孔板前后压差;FG为相对密度系数;ε为可膨胀系数。可以看出,气体的体积流量与d、p1和Δp有关。

图1 孔板流量计法兰取压孔板结构

2、影响流量计量的因素:

  对集输气站来说,计量因素主要受控于计量设备、气源性质和输气条件。其中计量设备的影响误差相对固定,且在允许范围之内。气源性质包括密度、压缩因子等受气体差异和含饱和水(油)的影响,只要加强管理、规范操作、准确掌握其密度变化并做好气液分离,  这类误差也能得到有效控制。这样式(1)可以进一步简化为:20181222163841.jpg

 

其中,Kn为孔板流量计常规参数修正系数,是一个常数;20181222163847.jpg则为温压梯度变化参数。

 

笔者基于大岭集输气站的工作经验,结合输气计量的温度、压力、压差和流量数据进行研究。大岭集输气站2010年建成并投产,设计输气能力每天254万方,气源来自八屋气站,2016年供气用户3个,其中高压部分经分离器过滤直接供给吉林销售CNG大岭站,另一部分经分离器过滤、水套炉和调压撬调压后供给长燃和长天,夏天较低日输气5万方,冬季***高日输气88万方,全年外输天然气近2亿方,承担着分公司近三分之一的输气任务。下面以CNG、长天和长燃供气用户(管道公称直径分别为100、150、200mm)为例进行说明。

 

2.1、不同孔板结构对Kn的影响:

选取CNG、长天和长燃用户用气稳定时间段的输气数据进行分析,以天然气体积流量Qn为纵坐标,温压梯度变化参数

20181222163911.jpg为横坐标,得出3个用户计量设备的Kn'存在差异(Kn'=Kn/3600),经拟合发现(图2、表1),在不同条件下,CNG用户Kn'值误差小于2%,长天用户Kn'值误差小于3%,长燃用户Kn'值误差小于5%,可以明确的是输气压力越高流量波动越小,Kn'值误差就越小,Kn值误差也就越小。但从误差范围看,一套标准计量设备引起的计量误差在允许范围内。因此,集输气站可通过计算不同管道孔板计量的Kn,简化生产过程中的流量计算过程,从而结合输气任务动态地做好计量操作,完成输气任务。

流量与温压梯度变化参数的关系输气用户孔板计量参数取值范围

2.2、温度、压力和压差对输气计量的影响:

同一计量设备常数Kn一定,对流量有影响的有温度、压力和压差3个参数。表2列出了同一用户计量过程中两个参数相同另一个不同时的流量变化,可以看出,当两个参数相同时,温度变化对流量的改变是有限的,而压力和压差的波动对流量的影响比较大。

温度、压力和压差影响输气流量对比

  对于高压外输用户CNG来说,进站压力受气源供气与站内输气的双重影响,波动较大,但它与压差共同影响着流量,是高压外输用户***主要的两个参数;而对于调压外输用户长天和长燃来说,由于有调压撬进行压力调节,因此压力波动范围显著变小,这样压差就成为了反映流量的***主要参数。

 

3、根据压差选择合适的量程:

  对集输气站来说,除了加强管理和规范操作外,结合压差选择好孔板的量程成为提高孔板流量计计量精度的关键。在输气过程中,用户在不同时间段和不同季节的用气需求是变化的,更换孔板的方法比较直接。但是如果需要经常更换,会因孔板有限和频繁操作而不现实,并且更换孔板的过程就会影响计量精度,这时就要考虑调节计量量程,具体方法有以下两种。

 

3.1、选取合适的孔板量程:

  对于CNG高压外输用户,从表1数据来看,***大压差为22kPa,但在选择压差量程时,不能完全以统计的***大压差为依据,因为外输压力的变化不受集输气站控制,需要根据具体情况进一步计算,如***大瞬时流量值为15000m3/h,但进站压力为1.5、5.4MPa时,***大压差分别为73、20kPa(实际统计数据),考虑到数据的有限性,因此***大压差量程范围选择0~100kPa为宜。对于低压用户来说,以长天为例,当***大瞬时流量为15000m3/h,进站压力为0.7、1.2MPa时,***大压差分别为36、18kPa(实际统计数据),***大压差量程范围为0~60kPa即可满足;当***大瞬时流量为23000m3/h,进站压力为0.8、1.1MPa时,***大压差分别为80、52kPa(实际统计数据),***大压差量程范围为0~100kPa即可满足。

 

3.2、动态调节孔板量程范围:

  当集输气站某一时期输气量减少或加大,更换孔板又不现实时,可以考虑动态调节孔板量程。

  如长燃用户,原***大压差Δp1设定为100kPa,由于用气淡季到来,持续一段时间内***大流量不超过18000m3/h,温度为5~12℃、压力为0.9~1.0MPa,压差不大于42kPa,为了计量准确,将***大压差调整为70kPa就能满足要求。同时要校验仪表,使它符合JB/T10564-2006[5]的规定,***大流量Qn1为30000m3/h,压差需降为70kPa,***大流量需降为25000m3/h。由Δp1/Δp2=(Qn1/Qn2)2(Δp2为实际***大压差)可知***大压差降为70kPa时,实际***大流量Qn2'=25100m3/h,这时模拟电流值应满足25100/25000=(20-4)/(In2'-4),In2'的值为19.94mA,即在电流信号记录仪制式为4~20mA的情况下,原参数为20mA时,每小时走字1000个,调整后为19.94mA走字1000个,但积算仪满刻度为20mA,就需计算出调整后20mA对应的走字数为每小时1004字,作为校验仪表的参考[6],即(20-4)/(19.94-4)=Sn2/1000(Sn2为积算仪满刻度时走的字数)。

 

4、结束语:

  在集输气站计量过程中,要想提高孔板流量计的计量精度,就要加强管理并规范操作。除了按照标准进行孔板计量设备的安装并做好维护和运行外,还要做好孔板计量的科学操作,正确使用孔板流量计。

  管理和操作上要重视对气源的掌握和跟踪,不同气田的天然气密度存在差异,集输气站气源不单一时,输气密度不能保持长期稳定不变,因此,建议集输气站要建立气样取样台账记录和规范要求,定期根据实测校正天然气密度。同时,加强分离器的使用和保养,做好排液,确保气水(油)进站后能够有效分离,避免因天然气中含有饱和水造成的计量误差。计量上要做好技术调控,对于高压外输用户要重点考虑压力和压差两个因素,同时压差量程选取时要充分考虑到压力波动的影响。对于低压外输用户,因为压力波动范围小,压差为***主要因素,***大压差变化在量程合理范围即可。总之,从提高集输气站操作计量精度来看,要充分考虑高压外输和低压外输用户的区别,加强管理,规范操作,科学选择压差量程,使集输气站的孔板计量更加。

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