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孔板流量計

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詳述提高孔板流量計計量精度的科學方法

作者: 來源: 發布時間:2018-12-22 16:35:40

 摘要從集輸氣站孔板流量計計量操作的角度出發,在分析孔板流量計壓差計量和流量測量原理的基礎上,結合儀表、溫度、壓力及壓差等對流量的影響,闡述操作過程中,應重視壓力和壓差對高壓外輸用戶的影響,以及壓差對低壓外輸用戶計量精度的影響。通過科學選取合適的壓差量程提高輸氣計量精度,減少不必要的損失,實現計量創效的目的。

 
孔板流量計由一次裝置(孔板、取壓裝置和前后直管段)和二次儀表(溫度傳感器、壓力變送器、差壓變送器和流量計)構成[1]。一次裝置即節流裝置;二次儀表即流量運算裝置,壓力和差壓變送器分別將節流裝置中的壓力和壓差信號轉換成標準直流電流4~20mA信號,溫度傳感器將通過節流裝置的流體溫度轉換成電阻信號,流量積算儀將前三者信號進行充分運算得出計量流量。
 
由于孔板流量計工序簡單、計量可靠而且成本不高,在氣體、液體和蒸汽流量計量中被廣泛應用。特別是在天然氣計量交易過程中,孔板流量計的應用占90%以上。為此,針對孔板計量方法形成一套天然氣流量計量標準SY/T6143-1996[2],目的就是要按照標準要求安裝孔板計量設備并規范操作,把系統和不確定性誤差控制在允許的范圍之內。
 
筆者從集輸氣站計量的角度出發,重點闡述加強管理和操作、提高計量精度的方法,并以大嶺集輸氣站3個管道用戶端為研究對象,在分析溫度、壓力及壓差等各要素對流量影響的基礎上,定量研究各要素對計量精度的影響,以得到提高孔板流量計計量精度的方法。
 
1孔板流量計的結構和測量原理
孔板流量計的結構相對簡單,安裝時在輸氣管道里放入一個與管軸垂直的圓孔金屬板(即孔板),作為壓差計量的節流元件,孔板中心要與管道中心線一致,但根據孔板裝置取壓方式的差異,分為法蘭取壓孔板(圖1)和角接取壓孔板。不同的是法蘭取壓在孔板上游和下游各有一個放置測壓管的取壓孔,通過測壓管測出管道內上、下游的壓力得出壓差,進而計算流量;角接取壓孔板可以單獨鉆孔取壓或環隙取壓,原理與法蘭取壓孔板相似。
20181222163609.jpg
天然氣流經孔板時,流束局部收縮,流速加快,靜壓力降低,在孔板前后形成壓差??装宓牧髁繙y量以氣流的流速越大壓差就會越大為依據,它們之間符合能量守恒定律和流體連續性方程。李長俊和張永紅對天然氣流量計算進行了詳細的推導[3,4],得到了天然氣體積流量Qn計算公式:
Qn=AnCEd2FGεFZFTp1Δ槡p(1)
其中,秒計量系數An(3.1794×10-6)、流出系數C、漸進速度系數E、孔板開孔直徑d、超壓縮因子FZ和流動溫度系數FT均可看作常數;p1為孔板上游絕對靜壓;Δp為孔板前后壓差;FG為相對密度系數;ε為可膨脹系數??梢钥闯?,氣體的體積流量與d、p1和Δp有關。
孔板流量計法蘭取壓孔板結構
2影響流量計量的因素
對集輸氣站來說,計量因素主要受控于計量設備、氣源性質和輸氣條件。其中計量設備的影響誤差相對固定,且在允許范圍之內。氣源性質包括密度、壓縮因子等受氣體差異和含飽和水(油)的影響,只要加強管理、規范操作、準確掌握其密度變化并做好氣液分離,這類誤差也能得到有效控制。這樣式(1)可以進一步簡化為:20181222163841.jpg
 
其中,Kn為孔板流量計常規參數修正系數,是一個常數;20181222163847.jpg則為溫壓梯度變化參數。
 
筆者基于大嶺集輸氣站的工作經驗,結合輸氣計量的溫度、壓力、壓差和流量數據進行研究。大嶺集輸氣站2010年建成并投產,設計輸氣能力每天254萬方,氣源來自八屋氣站,2016年供氣用戶3個,其中高壓部分經分離器過濾直接供給吉林銷售CNG大嶺站,另一部分經分離器過濾、水套爐和調壓撬調壓后供給長燃和長天,夏天zui低日輸氣5萬方,冬季zui高日輸氣88萬方,全年外輸天然氣近2億方,承擔著分公司近三分之一的輸氣任務。下面以CNG、長天和長燃供氣用戶(管道公稱直徑分別為100、150、200mm)為例進行說明。
 
2.1不同孔板結構對Kn的影響
選取CNG、長天和長燃用戶用氣穩定時間段的輸氣數據進行分析,以天然氣體積流量Qn為縱坐標,溫壓梯度變化參數
20181222163911.jpg為橫坐標,得出3個用戶計量設備的Kn'存在差異(Kn'=Kn/3600),經擬合發現(圖2、表1),在不同條件下,CNG用戶Kn'值誤差小于2%,長天用戶Kn'值誤差小于3%,長燃用戶Kn'值誤差小于5%,可以明確的是輸氣壓力越高流量波動越小,Kn'值誤差就越小,Kn值誤差也就越小。但從誤差范圍看,一套標準計量設備引起的計量誤差在允許范圍內。因此,集輸氣站可通過計算不同管道孔板計量的Kn,簡化生產過程中的流量計算過程,從而結合輸氣任務動態地做好計量操作,完成輸氣任務。
流量與溫壓梯度變化參數的關系輸氣用戶孔板計量參數取值范圍
2.2溫度、壓力和壓差對輸氣計量的影響
同一計量設備常數Kn一定,對流量有影響的有溫度、壓力和壓差3個參數。表2列出了同一用戶計量過程中兩個參數相同另一個不同時的流量變化,可以看出,當兩個參數相同時,溫度變化對流量的改變是有限的,而壓力和壓差的波動對流量的影響比較大。
溫度、壓力和壓差影響輸氣流量對比
對于高壓外輸用戶CNG來說,進站壓力受氣源供氣與站內輸氣的雙重影響,波動較大,但它與壓差共同影響著流量,是高壓外輸用戶zui主要的兩個參數;而對于調壓外輸用戶長天和長燃來說,由于有調壓撬進行壓力調節,因此壓力波動范圍顯著變小,這樣壓差就成為了反映流量的zui主要參數。
 
3根據壓差選擇合適的量程
對集輸氣站來說,除了加強管理和規范操作外,結合壓差選擇好孔板的量程成為提高孔板流量計計量精度的關鍵。在輸氣過程中,用戶在不同時間段和不同季節的用氣需求是變化的,更換孔板的方法比較直接。但是如果需要經常更換,會因孔板有限和頻繁操作而不現實,并且更換孔板的過程就會影響計量精度,這時就要考慮調節計量量程,具體方法有以下兩種。
 
3.1選取合適的孔板量程
對于CNG高壓外輸用戶,從表1數據來看,zui大壓差為22kPa,但在選擇壓差量程時,不能完全以統計的zui大壓差為依據,因為外輸壓力的變化不受集輸氣站控制,需要根據具體情況進一步計算,如zui大瞬時流量值為15000m3/h,但進站壓力為1.5、5.4MPa時,zui大壓差分別為73、20kPa(實際統計數據),考慮到數據的有限性,因此zui大壓差量程范圍選擇0~100kPa為宜。對于低壓用戶來說,以長天為例,當zui大瞬時流量為15000m3/h,進站壓力為0.7、1.2MPa時,zui大壓差分別為36、18kPa(實際統計數據),zui大壓差量程范圍為0~60kPa即可滿足;當zui大瞬時流量為23000m3/h,進站壓力為0.8、1.1MPa時,zui大壓差分別為80、52kPa(實際統計數據),zui大壓差量程范圍為0~100kPa即可滿足。
 
3.2動態調節孔板量程范圍
當集輸氣站某一時期輸氣量減少或加大,更換孔板又不現實時,可以考慮動態調節孔板量程。
 
如長燃用戶,原zui大壓差Δp1設定為100kPa,由于用氣淡季到來,持續一段時間內zui大流量不超過18000m3/h,溫度為5~12℃、壓力為0.9~1.0MPa,壓差不大于42kPa,為了計量準確,將zui大壓差調整為70kPa就能滿足要求。同時要校驗儀表,使它符合JB/T10564-2006[5]的規定,zui大流量Qn1為30000m3/h,壓差需降為70kPa,zui大流量需降為25000m3/h。由Δp1/Δp2=(Qn1/Qn2)2(Δp2為實際zui大壓差)可知zui大壓差降為70kPa時,實際zui大流量Qn2'=25100m3/h,這時模擬電流值應滿足25100/25000=(20-4)/(In2'-4),In2'的值為19.94mA,即在電流信號記錄儀制式為4~20mA的情況下,原參數為20mA時,每小時走字1000個,調整后為19.94mA走字1000個,但積算儀滿刻度為20mA,就需計算出調整后20mA對應的走字數為每小時1004字,作為校驗儀表的參考[6],即(20-4)/(19.94-4)=Sn2/1000(Sn2為積算儀滿刻度時走的字數)。
 
4結束語
在集輸氣站計量過程中,要想提高孔板流量計的計量精度,就要加強管理并規范操作。除了按照標準進行孔板計量設備的安裝并做好維護和運行外,還要做好孔板計量的科學操作,正確使用孔板流量計。
 
管理和操作上要重視對氣源的掌握和跟蹤,不同氣田的天然氣密度存在差異,集輸氣站氣源不單一時,輸氣密度不能保持長期穩定不變,因此,建議集輸氣站要建立氣樣取樣臺賬記錄和規范要求,定期根據實測校正天然氣密度。同時,加強分離器的使用和保養,做好排液,確保氣水(油)進站后能夠有效分離,避免因天然氣中含有飽和水造成的計量誤差。計量上要做好技術調控,對于高壓外輸用戶要重點考慮壓力和壓差兩個因素,同時壓差量程選取時要充分考慮到壓力波動的影響。對于低壓外輸用戶,因為壓力波動范圍小,壓差為zui主要因素,zui大壓差變化在量程合理范圍即可??傊?,從提高集輸氣站操作計量精度來看,要充分考慮高壓外輸和低壓外輸用戶的區別,加強管理,規范操作,科學選擇壓差量程,使集輸氣站的孔板計量更加精確。
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