天然气孔板计量存在的问题及对策

天然气孔板计量存在的问题及改进措施摘要随着世界石油天然气工业的突飞猛进的发展,要求对天然气流量需要进行更加准确的计量。由于孔板计量方式结构简单、投资少、计量精度较高，所以目前，孔板流量计仍是最主要的天然气流量计，而影响孔板流量计计量准确度的因素很多。本文将结合油田天然气计量实际孔板运行情况从仪表性能要求、流体特性等方面阐述是如何影响计量准确度的,以及改进或减少这些影响因素的措施。关键词孔板流量计；影响因素；改进措施天然气的生产、利用过程是一个流程复杂、规模大、速度快且连续运行的系统。其计量的准确与否受到人们的普遍重视。因此计量的准确度是选择任何类型的流量计都必须考虑的重要指标。在实际应用中,影响孔板流量计计量准确度的因素很多,而孔板流量计的主要特点为结构易于复制,简单牢固,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉等,整套流量计由节流装置,差压变送器和二次仪表（流量计算机）组成。它们可以分别由不同厂家生产,易于形成规模生产,经济效益高,各部分组合非常灵活,即使目前推出的一体化孔板流量计,亦可分开生产,再灵活组装。1脉动流体对流量计量的影响由于天然气本身的性质,会随着外界环境温度的变化而发生复杂的变化,从而影响流量计的测量精度。低密度气体对某些测量方法呈现困难,此时就要改变所选择的测量方法,或者作温度和(或)压力修正,以保证测量准确准确度。因此在评估流量计的适应性时,要掌握气体的温度一粘度特性。虽然气体的粘度因温度和压力变化的值一般较低,但是对流量计量的精确度还是有一定的影响。对于油田温气(伴生气)，其中含有大量的饱和水蒸气,在温度降低时会有水凝结；它们属于多组分流动,计量时应谨慎对待。经验表明,单相通用流量仪表用于多组分或多相流体,测量性能会改变(或大幅度改变)，例如湿气中水微粒随着天然气流动,环境温度或天然气压力偏离原定状态,仪表就有可能不适应。测量气液双相流时尽可能采用分离后分相测量，以保证最小测量不确定度,然而对有些场合这种方法不切实可行或不符合要求。所以，为保证测量值准确，必须抑制脉动。2仪表性能的影响孔板流量计因其设计规范，简单牢固，性能稳定可靠,使用期限长，不需实流标定诸多优点被广泛应用于贸易结算，但在实际使用过程中，经常会出现一此问题，比如“空跳”、多计、少计及导压管高度修正等问题，使供、用双方蒙受不必要的损失，下面就对产生这些问题的原因进行实例分析并提出解决办法。2.1差压变送器静压误差根据JJG640-1994差压式流量计检定规程规定：单向静压试验：在正压室加入公称压力，保持5秒后撤压，待10秒后，测量基本误差和回程误差，然后用同样方法对负压进行同样试验；双向静压试验：在正、负压室同时加25%的公称压力，待稳定后测量输出下限值的变化量，然后将压力上升到公称压力作同样的试验。具体操作方法是：在检定完毕后，先开平衡阀，再开正压阀，送正负压室工作压力，通过调整零点克服静压影响。2.2差压变送器安装位置不规范偏离正确位置引起零点偏移即指差压变送器在使用一段时后其零点向上或向下漂移，对于0.5级差压变送器的零位输出电流超过4.08mA时，压力变送器本身就不符合JJG640-1994差压式流量计检定规程及JJG882-2004压力变送器检定规程的要求。解决方法：首先选择稳定性较好的差压变送器，其次缩短检定周期，第三检定周期内经常检查、即打开平衡阀观察流量积算仪是否出现“空跳”，如出现“空跳”请第三方计量检定部门来重新进行检定。2.3人为因素的影响及防范措施人为打开差压变送器高压侧排液/排气阀，导致差压减小，将变送器锁在箱内是一种常用防范措施。人为造成高压侧导压管泄露，使差压减小，从而降低流量计示值。具体做法：在高压管焊接处、三阀组连接处、排污阀等处人为导致泄露。这种方法在监控系统上难以察觉，除非“偷气”量过大才能发现，通过突击现场检查，在冬季易于发现，而夏季则难以发现。人为打开三阀组中的平衡阀，由此导致差压减小，从而降低流量计示值。这种方法在监控系统上难以察觉，除非“偷气”过大才能发现，因蒸汽并未向外泄漏，通过突击现场检查也较难发现。将三阀组锁在箱内是一种常用防范措施。修改差压变送器零点或量程，提升零点截除量，令小流量计量被截除；加大量程，直接导致流量示值变小，这些调整可在变送器上直接调整，仅需一把小螺丝刀即可进行；而对于智能型的差压变送器，接入手操器，即可任意调整，由于差压变送器是工业仪表中最常见的设备，绝大多数对仪表略有了解的人即可调整，除非在检表时忘记调回，否则难以发现，调整数只要不太过分，难以在电脑监控系统上被发现，现场巡查也难以发现，因此将差压变送器连同其与二次表连线一同锁在箱内是一种常见防范措施。令压力变送器导压通道泄漏，致使压力示值减小，从而降低密度示值，致使流量计量偏低，现场巡查可以发现。在测温热电阻线路上串联一只小电阻，致使温度示值增大,从而降低密度示值，致使流量偏低，这一手法难以被发现，除非串入的电阻太大，太多。与差压变送器一样修改压力变送器内的参数，使压力示值减小，从而降低密度示值，致使流量计量偏低，现象特征与差压变送器相同。在流量积算仪输到差压变送器的电源上加一调压器（继电器）使其不工作或间隔一段时间工作，这种方法很难在仪表上得到查觉，这种方法能在监控系统上得到察觉，观察其压力和温度的变化，可以看出是否在用气。断开差压变送器供电，使流量输出为零，造成不用气的假象，这种方法如在监控系统上有4~20mA异常报警功能可以发现。有意在超量程情况之下与小流量下用气，利用差压式流量仪表量程范围小的特点，使大流量因超量程时，差压变送器固有的输出信号限制而偏小，超量程越多，指示偏小越多，这种有意避开差压式流量计的正常测量范围用气方式，是一种最“安全”的“偷气”方式，但通过对监控数据的认真分析，可以察觉。降低高压管水平高度，利用高/低导压管内凝结水液位差减小差压，使流量指示偏小，这种方法“偷气”量较小。3解决孔板流量计计量问题的途径和建议第一，加强管理,提高人员素质。孔板流量计易于偏离标准的原因在于仪表本身的工作原理与结构特点,仪器自身误差是制造时产生的,安装和使用误差则是在安装时或长期使用中由于流体介质腐蚀、磨损、沽污等造成的。因此,应严格按技术要求安装流量计量系统,消除安装误差。在使用过程中,操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作,延长其使用寿命,减小计量误差。同时,在实际应用中应强化宣贯SY/T6143一19%标准力度。《天然气流量的标准孔板计量方法》(SY/6143一1996)【1】中提到了减少误差的方法。如附录《节流安置在使用中出现部分偏离标准规定的处理》【2】中规定在实际应用中采取在流出系数c中增加二个修正系数,即孑L板人口尖锐度修正系数和管壁粗糙修正系数或者采用可换孔板节流装置。因此在天然气计量的实际应用中应深入研究,吃透《天然气流量的标准孔板计量方法)(SY/T6143一1996)的精髓,严格按标准规定安装、使用、处理数据,保证天然气计量的准确。第二，计量仪表的正确选用。天然气孔板计量系统由一次表和二次表两部分组成。在不改变一次测量元件的基础上，我们通过使用FC2000IAD流量计算机，对流量信号进行采集、运算，从而提高计量精度。与原有二次仪表相比，FC2000IAD具有以下两个特点：1.用Hart方式采集差压信号原有仪表对差压的采集，使用的是4～20mA模拟量信号，对应差变量程的方式。这种方式本身存在数字量、模拟量转换精度以及电流传输、采集精度的问题，会存在一定的误差；而Hart信号是数字信号，读取数字信号不存在数模转换精度的问题，差变膜盒本身产生的差压值是多少，流量计算机读取的差压值就是多少，解决了模拟信号低差压小电流分辨率低的缺陷以及高差压超量程的问题。举例说明：a.假如差压变送器的量程是60KPa，这时候管道内有很小的流量，产生的差压只有1Pa，如果采用4～20mA模拟量信号传输，理论上产生的电流值只有不到4.0003mA，但是实际中差变产生的电流很难达到这么高的分辨率，同样道理，采集信号的二次表也很难有这么高的分辨率，所以基本上实际输出的电流只是4mA，二次仪表显示的就是0Pa，无流量；但是用Hart方式采集信号，这1Pa的差压就可以读出来，显示出是有流量的。举例说明：b．假如差压变送器的量程是60KPa，这时候管道内有很大的流量，产生的差压有70KPa，如果采用4～20mA模拟量信号传输，产生的电流值满度，二次表根据电流对应设置的量程得到的差压就是60KPa，明显与实际不符，存在偏差；但是用Hart方式采集信号，直接读取的是膜盒最原始的差压信号，所以显示出的差压值就是70KPa（注：差压超量程读取不是可以一味的无限大，取决于差变厂家膜盒的测量范围）2.数学模型符合国家标准，各参量实时逐点运算，保证宽量程高精度运算补偿计算完全符合SY/T6143-2004国家行业标准，不仅可以根据温度、压力等工况参数对流量进行修正，同时对直接影响天然气计量精度的密度等因素，采用输入天然气的全组分的方法计算出超压缩系数、流出系数以及流速膨胀系数进行密度等参数修正。一般仪表的准确度都是用测量范围内相对误差表示。因此当测量值越接近满度值，其准确度越高。但在实际使用中，流量范围往往无法准确确定，在流量变化大的情况下，使流量计长时间工作在测量范围以外，这样就造成了很大的测量误差。因此应考虑使用具有宽量程补偿运算功能的流量计算机，对节流件流出系数C、可膨胀性系数ε等中间参数的实时计算是解决宽量程的关键。节流式流量计流量计算公式为：124241pdCqV式（1）式中：qv——体积流量m3/sC——流出系数ε——可膨胀性系数d——节流件开孔直径，mD——管道内径，mβ——直径比，(β=d/D)1——被测流体密度，kg/m3Δp——差压，Pa其中：按GB/T2624-2006标准孔板流出系数C的计算式为：3.11.1/2/2447103.065.37.06828.0031.0111.01123.0080.0043.0Re100063.00188.0Re10000521.0216.00261.05961.011MMAeeACLLDD式中：ReD——雷诺数流束可膨胀系数的计算式为：/112841)93.0256.0351.0(1pp式（3）式中：：等熵指数P1P2：分别节流件前后的压力，Pa传统的节流式流量计是将流出系数C和可膨胀性系数ε视为定值（C和ε由专门的节流装置设计计算软件计算得到，一般取值是常用流量所对应的C和ε），置入现场的流量积算仪。图1是一台孔板流出系数曲线（图1）图1曲线表明：当eDR=3×104，C=0.6101；eDR=1×104，C=0.6176；平均值C=0.6139，即eDR在3×104～1×104范围内（3：1）其不确定度为0.61%。0.62640.60810.60000.61010.61760.513510102103104C流出系数C与雷诺数ReD曲线（D=50mm，β=0.5，法兰取压）式(2)当eDR=5×104，C=0.6081；eDR=5×103，C=0.6264；平均值C=0.6173，即eDR在5×104～5×103范围内（10：1）其不确定度为1.5%，远不能满足用于贸易结算的一级表对不确定度的要求。同样，可膨胀性系数ε在超测量范围情况下，所引起的测量不确定度更不容忽视。例如，一台角接取压孔板流量计（D=100mm，β=0.5）测量过热蒸汽（压力=4Mpa，温度=400℃），eDR在28×105～2.8×105（介质流速：52～5.2米/秒）范围内，可膨胀系数ε的不确定度为3.0%！因此要实现宽量程，就必须对流出系数C和可膨胀性系数ε进行实时计算。由式（2）可以看流出系数C的计算很复杂。相关标准给出了计算流出系数C的迭代方法，所以流量积算仪表必须具有高速、高精度的运算功能和比较大的存贮空间，以完成这些复杂的