孔板流量計校正-提高計量精度詳解
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(gòu)成［1］。一次裝置即節(jié)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(jié)流裝置中的壓力和壓差信號轉(zhuǎn)換成標準直流電流4～20mA信號，溫度傳感器將通過節(jié)流裝置的流體溫度轉(zhuǎn)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(guī)范操作，把系統(tǒng)和不確定性誤差控制在允許的范圍之內(nèi)。
筆者從集輸氣站計量的角度出發(fā)，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(chǔ)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(jié)構(gòu)和測量原理：
孔板流量計的結(jié)構(gòu)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(jié)流元件，孔板中心要與管道中心線一致，但根據(jù)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(nèi)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(huán)隙取壓，原理與法蘭取壓孔板相似。
天然氣流經(jīng)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(jù)，它們之間符合能量守恒定律和流體連續(xù)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(shù)An(3．1794×10－6)、流出系數(shù)C、漸進速度系數(shù)E、孔板開孔直徑d、超壓縮因子FZ和流動溫度系數(shù)FT均可看作常數(shù);p1為孔板上游靜壓;Δp為孔板前后壓差;FG為相對密度系數(shù);ε為可膨脹系數(shù)。可以看出，氣體的體積流量與d、p1和Δp有關(guān)。
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(zhì)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(nèi)。氣源性質(zhì)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(guī)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:
其中，Kn為孔板流量計常規(guī)參數(shù)修正系數(shù)，是一個常數(shù)；
則為溫壓梯度變化參數(shù)。
筆者基于大嶺集輸氣站的工作經(jīng)驗，結(jié)合輸氣計量的溫度、壓力、壓差和流量數(shù)據(jù)進行研究。大嶺集輸氣站2010年建成并投產(chǎn)，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(jīng)分離器過濾直接供給吉林銷售CNG大嶺站，另一部分經(jīng)分離器過濾、水套爐和調(diào)壓撬調(diào)壓后供給長燃和長天，夏天較低日輸氣5萬方，冬季***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(jié)構(gòu)對Kn的影響：
選取CNG、長天和長燃用戶用氣穩(wěn)定時間段的輸氣數(shù)據(jù)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(shù)
為橫坐標，得出3個用戶計量設備的Kn'存在差異(Kn'=Kn/3600)，經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)(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(nèi)。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(chǎn)過程中的流量計算過程，從而結(jié)合輸氣任務動態(tài)地做好計量操作，完成輸氣任務。
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(shù)Kn一定，對流量有影響的有溫度、壓力和壓差3個參數(shù)。表2列出了同一用戶計量過程中兩個參數(shù)相同另一個不同時的流量變化，可以看出，當兩個參數(shù)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。
對于高壓外輸用戶CNG來說，進站壓力受氣源供氣與站內(nèi)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***主要的兩個參數(shù);而對于調(diào)壓外輸用戶長天和長燃來說，由于有調(diào)壓撬進行壓力調(diào)節(jié)，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***主要參數(shù)。
3、根據(jù)壓差選擇合適的量程：
對集輸氣站來說，除了加強管理和規(guī)范操作外，結(jié)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(guān)鍵。在輸氣過程中，用戶在不同時間段和不同季節(jié)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(jīng)常更換，會因孔板有限和頻繁操作而不現(xiàn)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(diào)節(jié)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(shù)據(jù)來看，***大壓差為22kPa，但在選擇壓差量程時，不能完全以統(tǒng)計的***大壓差為依據(jù)，因為外輸壓力的變化不受集輸氣站控制，需要根據(jù)具體情況進一步計算，如***大瞬時流量值為15000m3/h，但進站壓力為1．5、5．4MPa時，***大壓差分別為73、20kPa(實際統(tǒng)計數(shù)據(jù))，考慮到數(shù)據(jù)的有限性，因此***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***大瞬時流量為15000m3/h，進站壓力為0．7、1．2MPa時，***大壓差分別為36、18kPa(實際統(tǒng)計數(shù)據(jù))，***大壓差量程范圍為0～60kPa即可滿足;當***大瞬時流量為23000m3/h，進站壓力為0．8、1．1MPa時，***大壓差分別為80、52kPa(實際統(tǒng)計數(shù)據(jù))，***大壓差量程范圍為0～100kPa即可滿足。
3．2、動態(tài)調(diào)節(jié)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(xiàn)實時，可以考慮動態(tài)調(diào)節(jié)孔板量程。
如長燃用戶，原***大壓差Δp1設定為100kPa，由于用氣淡季到來，持續(xù)一段時間內(nèi)***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***大壓差調(diào)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(guī)定，***大流量Qn1為30000m3/h，壓差需降為70kPa，***大流量需降為25000m3/h。由Δp1/Δp2=(Qn1/Qn2)2(Δp2為實際***大壓差)可知***大壓差降為70kPa時，實際***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(shù)為20mA時，每小時走字1000個，調(diào)整后為19．94mA走字1000個，但積算儀滿刻度為20mA，就需計算出調(diào)整后20mA對應的走字數(shù)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(shù))。
4、結(jié)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(guī)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(wěn)定不變，因此，建議集輸氣站要建立氣樣取樣臺賬記錄和規(guī)范要求，定期根據(jù)實測校正天然氣密度。同時，加強分離器的使用和保養(yǎng)，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(shù)調(diào)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***主要因素，***大壓差變化在量程合理范圍即可?？傊瑥奶岣呒敋庹静僮饔嬃烤葋砜?，要充分考慮高壓外輸和低壓外輸用戶的區(qū)別，加強管理，規(guī)范操作，科學選擇壓差量程，使集輸氣站的孔板計量更加。
產(chǎn)品：
文章：