天然氣計量誤差分析及改進措施

摘要：天然氣計量現在仍以差壓式流量計中的孔板計量計為主。在實際生產中，由于影響差壓式流量計測量誤差的原因非常復雜多變，往往導致其不能滿足測量精度要求，因此，找出影響其計量誤差和提出改進措施對現實生產活動有著重要的意義。本文從計量儀表誤差、使用條件變化誤差和其它因素引起誤差3個方面分析了引起計量誤差的主要因素，并提出了六方面的改進措施，最后對現在的計量工作提出了建議，展望了未來孔板流量計的發展方向。
 關鍵詞：天然氣計量  孔板計量  誤差分析  改進措施 
1引言
 我國天然氣流量計量以差壓式孔板流量計為主，它由節流裝置、導壓管路系統、差壓計組成，具有結構簡單、制造容易,安裝、使用和維護方便,可靠性高等特點。一般正常情況下，其測量精度能滿足（GB/T2624-93流量測量節流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量（替代GB2624-81））和石油部SYL04-83（天然氣流量測量的標準孔板計量方法，升級為SY/T6143－1996）標準的要求，但在實際工作中，由于計量儀表誤差(節流裝置的設計、制造、安裝和使用條件不符合ISO5167-1（用差壓裝置測量流體流量標準）的要求,或者儀表選擇不當) 以及使用條件變化帶來的誤差(較長時間內,流量的變化超出了所選儀表的測量范圍,或者脈動流的產生),往往使孔板流量計的精度不能優于±1.5%。因此，找出引起誤差的因素，提出改進措施對于提高天然氣計量精度有著重大意義[1]。
2引起誤差的主要因素
2.1計量儀表誤差
 采用孔板流量計，對孔板加工的技術要求十分嚴格，必須符合GB2624-81或SY/T6143-2003（用標準孔板流量計測量天然氣流量）標準中的規定，否則，會給天然氣流量測量結果帶來很大的誤差。孔板的偏心和彎曲是孔板的制造安裝和使用中影響計量儀表精度的主要因素。
 （1）孔板安裝
 盡管安裝規范一般都能夠掌握, 但有些細節往往沒有引起重視, 導致較大的計量誤差。如: 密封墊片內孔未按環室尺寸加工,墊片伸出環室,干擾流體穩定流動;導壓管走向不合理,差壓無法順利傳導;平衡器不水平,直接產生計量誤差等[2]。
 （2）孔板偏心和β的不確定度
 根據標準的要求,孔板應與節流裝置中的直管段對中。一般說來,孔徑比β值越高,偏心率對測量
精度影響越大,另外根據SY/T6143-2003中的體積流量不確定度公式為：
   （1）
--流出系數的不確定度
--可膨脹系數的不確定度
--測量管內徑的不確定度，其值±0.4%
--孔板開孔直徑的不確定度，其值±0.07%
--差壓測量的不確定度，其值±0.4%
--天然氣流動熱力學溫度的不確定度
--天然氣流動時上游側的絕對壓力測量不確定度
--天然氣相對密度測量的不確定度，其值±0.5%
--天然氣壓縮因子測量的不確定度，其值±0.5%
--孔徑比，
 從公式（1）可以計算得出β與流量不確定度的關系：流量不確定度基本隨著β增減而增減, 當β小于0.6 時,不確定度的變化很小,基本為一條直線;隨著β的增大,不確定度迅速增大,當β=0.75 時,不確定度達到最大。因此應避免采用孔徑比大的孔板[3]。
 從公式（1）還可以看出,天然氣的壓力、密度、溫度和壓縮系數的變化將直接影響到測量的精度。特別是密度影響較大，從流量計算公式而言，如果將相對密度參數作為一個獨立量看待，那么天然氣相對密度的不確定度為±0.5%，從而引起天然氣流量不確定度為±0.25%，因此，相對密度對天然氣流量測量不確定度的大小是一項至關重要的參數[4]。
（3）孔板彎曲由于孔板的安裝和維修不當,孔板會發生彎曲或變形,從而導致流量測量誤差較大。有關實驗表
明，孔板彎曲造成的最大誤差為3.5%[5]。   
 （4）節流裝置的突出物
節流裝置中伸入管內的墊片、焊縫等也會引起測量誤差，誤差大小與突出物位置、孔板與突出物的距離以及突出等有關。有關實驗表明，當β=0.7，突出物位于孔板上游管徑2倍時，產生誤差最大；若突出物位于上游孔板處，誤差為16%-50%。若位于下游，則對計量精度的影響相對較小[5]。（注--孔徑比，）
2.2使用條件變化引起的誤差
 這種誤差主要是由脈動流現象和超量程、流程頻繁波動問題引起的。管道中氣體流速和壓力發生突然變化，造成脈動流，引起差壓波動，當節流裝置上出現明顯的脈動流時，計量可能產生較大誤差，有關文獻指出脈動流引起的誤差最大可達20%-30%。當前，輸氣干線脈動主要來源：
 （1）天然氣氣井為氣水同產，這些井的計量差壓均發生波動；
 （2）長輸管道或氣田管道積液造成差壓波動；
 （3）氣井之間的壓力干擾造成差壓波動；
 （4）由于小用戶用氣不均衡，氣量瞬間發生急劇變化，供氣閥突開或突關都會導致差壓波動。
 超量程問題大多數是由于季節不同, 用量發生變化引起的,特別是蒸氣計量,冬天時流量大,夏天時流量小,有可能超過所選儀表的量程，從而引起誤差。同時，城市用氣而無調峰設施的計量裝置，當流量隨時間頻繁波動時，將會直接影響對天然氣計量的準確度[2]5][6]。
2.3氣質條件引起的誤差
 （1）天然氣中的雜質
 天然氣從地層中采出來,雖然經過分離、除塵或過濾,但由于處理不徹底或集氣管網和輸氣干線內腐蝕物的影響,使得天然氣中混有少量的液體或固體雜質,這些雜質易聚集在孔板截面收縮、流速突變的孔口銳邊上,而孔板流量計對孔板銳邊、截面及流線的變化非常的敏感。此外,天然氣中的雜質還會對孔板產生沖刷和腐蝕,特別是對孔板直角入口邊緣和測量管內壁的沖刷腐蝕特別嚴重,這將影響到孔板直角入口邊緣圓弧半徑和測量管內壁相對粗糙的規定標準,孔板流出系數也將發生變化,使測量精度達不到要求[6]。
 （2）天然氣的含水量
 天然氣的含水量也對天然氣計量精度有著很大的影響。美國雪佛龍公司和科羅拉多工程實驗站用注水后的孔板流量計進行計量得到了: ①用孔板流量計測量氣體流量,當氣體中夾帶少量液體時,流量測量不確定度偏高,測量的濕氣流量隨β的增加而減少,在β比為0.7 時,測得的流量偏差為- 1.7%; ②當夾帶少量液體時,在β比為0.5 時表明孔板性能較好,但是應將夾帶液體在孔板上游脫出,以獲得最佳的計量性能; ③用舊的孔板流量計測量濕氣,流量計量值將降低3%[3]。
2.4其它引起的誤差
 管道泄露、人為破壞、管理不嚴、不合理的積算和取值方法、計量工況偏離標準規定條件。積算方法本身不合理，對溫度、壓力、氣體組成的變化沒有自動補償以及突發事件等毫無疑問也是引起天然氣計量誤差的原因。特別是管道泄露引起的誤差相當大。例如節流裝置前后的差壓一般都很小(有的僅為6kPa～60kPa),管道壓力往往是它的幾十倍,如發生導壓管泄漏或堵塞,不僅給計量帶來誤差, 而且會損壞差壓變送器[2]。
 輸氣系統的泄漏有三種類型:偶然性泄漏、長期性泄漏和普通運行泄漏。偶然性泄漏是指由于輸氣系統在長期運行過程中的腐蝕和輸配設備安裝不當或設備發生故障所導致的泄漏。長期性泄漏是由于輸配氣站本身工藝設計的不合理或設備質量不好導致的泄漏。普通運行泄漏是指由于某些站場管部件本身設計不當造成腐蝕從而引發的偶然性泄漏。一般說來,輸氣系統的泄漏絕大部分屬于偶然性泄漏。造成輸氣系統發生泄漏的主要原因包括:輸氣管道和部件長期暴露于酸性氣體環境中,造成硫化氫腐蝕;天然氣中的H2S、CO2 等酸性氣體和H2O、O2 等組分達不到輸氣系統對氣質的要求造成輸氣管道和部件內壁腐蝕;輸氣管道制管質量差導致管道螺旋焊縫的斷裂;輸氣管道和部件安裝和焊接質量差導致管道環行焊縫和管、件之間焊縫的斷裂;陰極保護系統設計不合理或管道外絕緣層破壞所導致的管道外壁腐蝕穿孔;外力(如:洪水、山體滑坡等)或人為原因導致的管道破壞[6]。
3改進措施
 根據上述引起誤差的因素，可以對應采取如下改進措施：
 1. 嚴格按照標準加工孔板，正確安裝，合理選擇壓差量程
 嚴格按照GB2624-81或SY/Y6143-1996標準中的規定加工孔板。孔板節流裝置在使用前的安裝中應按照標準安裝設計,根據孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段,一般應至少前30D。當場地不允許時，必須在孔板前的直管段上安裝整流器。孔板入口端面必須與管道線垂直，其偏差不能超過1°。安裝時孔板嚴禁反向。要正確使用和選擇壓差計，當壓差計工作量程在30%以下時，必須及時更換壓差計的量程或孔板規格。法蘭取壓β值應在0.2-0.75，角接取壓β值應在0.4-0.6[3]。
 2. 消除脈動流，減小脈動影響，合理解決超量
 可以采用以下方法消除脈動流，減小脈動流的影響[3][5]：
 （1）采用控水采氣，保持氣井在不產地層水的條件下生產，消除脈動源；采用高效分離器，加強氣水分離；從管線中除去游離液體,及時吹掃排出管道內積液，管線中的積液引起的脈動可以采用自動清管系統或低處安裝分液器來處理。為使天然氣具有最佳的計量性能,應將天然氣中的水分徹底脫出。
 （2）控制計量管段下流閥。實踐證明，控制下流閥能有效的抑制脈動流，同時對各類脈動源引起的壓差波動都有抑制作用。
 （3）加裝緩沖罐或設置專門脈動消減器，抑制脈動源引起的差壓波動；提高差壓和孔徑比；安裝調壓閥穩定輸出壓力，從而減小脈動對計量的影響
 (4) 在滿足計量能力的條件下,應選擇內徑較小的測量管,使Δp 、β在比較高的雷諾數下運行。
 (5) 采用短引壓管線,盡量減少引壓管線系統中的阻力件,并使上下游管線長度相等,以減少系統中產生諧振和壓力脈動振幅的增加。
 對于由于季節變化引起的超量程問題一般有兩種解決途徑[2]：
 (1) 孔板不動, 改變差壓。其優點是調整方便, 缺點是流量調整范圍小;
 (2) 制作2 塊孔板, 同時差壓也相應改變, 分別用于冬季和夏季, 其優點是流量調整范圍大, 精度高; 缺點是安裝不方便。另外, 超量程問題還可能是由于設計參數提供得不合理或用戶生產負荷調整所致, 此時應重新設計計算或選型。如同一時間用量上下波動很大, 也可采用多臺差壓變送器并用的方法。
 3.采用新型智能變送器[7]
 傳統的機械式(準確度一般為1.5%)差壓流量計精度不高,流量與差壓信號的平方根成正比例關系。根據標準,如差壓精度為1.0%,差壓儀表信號為量程的10%,則不確定度
                   （2）
 當差壓信號小于10%時,不確定度更大。反之,由于微處理器技術引入變送器,測量精度得到了極大的提高。目前的智能變送器(如YOKOGAWA、FISHER-ROSEMOUNT、HONEYWELL等公司)的精度均優于0.1%,經開方后,輸出信號4～20mA仍保持在0.1%的精度。
 4.加強日常管理，對參數進行合理修正[3][6]
 在日常生產中應定期對孔板進行清潔、維修或撤換并且對測量流量進行修正。在孔板流量計日常使用過程中,要確保準確的計量,還應至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點、儀表D/A 轉換通道、核對流量計算程序,對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換。
 從節流裝置不確定度的計算公式可以看出,天然氣的壓力、密度、溫度和壓縮系數的變化將直接影響到測量的精度,因此,應該選擇合適的儀表來測量天然氣的壓力、密度、溫度等物性參數。在天然氣物性參數波動時應及時對測量誤差進行修正,最好做到時時測量,時時修正。同時，應加強巡視檢查, 定期排污,防止管道泄露此類情況發生。
 5. 量值溯源是確保天然氣計量準確度的有效措施[3]
 (1) 當孔板節流裝置的一次裝置設計、制造、安裝、檢驗和使用完全符合SY/ T6143 - 1996 標準中1～7 章的全部技術要求時,即可達到幾何和流體力學相似,在此基礎上可以執行單參數溯源,節流裝置部分用長度標準進行幾何尺寸干檢,壓力、溫度、時間或氣樣分析用各自的標準器具或標準樣氣進行檢驗,并將標準器與國家基準建立溯源鏈。
 (2) 對用于貿易計量的孔板流量計量裝置,建議流量計投入使用前或使用一段時間后,進行實流檢定或校準,以保證一次儀表的準確度。
 (3) 天然氣組成分析應采用GB/ T13610 規定的方法進行,標準氣體應選擇經國家質量技術監督局考核合格的、有合格證并標有不確定度的標準氣體,標氣準確度應不低于二級標準氣體(2. 0 %) 。在條件許可的條件下,應開展天然氣在線組成分析和物性參數的在線測定。
 6.采用可換孔板節流裝置和定值節流裝置，擴展量程范圍
 可換孔板節流裝置可以在不拆動管道或不停輸情況下，方便提升孔板進行檢查、清洗或更換，保證計量準確。孔板流量計測量范圍一般為3.5:1，而實際工況并不都在此范圍，一旦超過測量范圍，必將引起測量誤差。如果采用定值節流裝置與寬量程差壓變送器、智能流量積算儀或流量計算機配套使用，就能方便的實現量程的擴展，從而實現傳統差壓流量計的智能化。同時，采用定值節流裝置有利于產品批量生產，降低生產成本。可換孔板節流裝置和定值孔板相配套，將實現節流裝置產品系列化、標準化，有利于提高節流裝置計量的準確度[8]。
4結束語
 影響差壓式流量計測量誤差的原因非常復雜,難以進行綜合定量分析。本文僅從幾個主要方面對引起誤差的因素進行了綜述，并提出了改進措施。客觀地講,在采用孔板流量計測量天然氣流量時,如果對孔板流量計的一次裝置(孔板節流裝置)和二次儀表(差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數計量器具等) 配套儀表的選擇、設計、安裝、使用都嚴格按照有關標準進行, 在使用過程中及時修正不相符之處, 同時加強管理, 做好流量計的檢定和維護工作, 加強對計量工作者的業務素質培訓，消除計量誤差是可能的，而且可以將其流量測量準確度是可以控制在±1%～ ±1.5%范圍內的[2][3]。
 最近對孔板流量計的改進主要集中在識別和消除計量系統誤差方面。GRI 的計量研究室對上游計量管段配置對孔板計量精確度的影響做了大量的研究, 對氣流調節器所產生的影響也做了廣泛的研究。氣流調節器是安裝在流量計上游的一個裝置, 用以減輕上游計量管段配置所產生的任何負面影響。未來對孔板流量計的改進可能是通過改進二次儀表系統———壓力和溫度傳感器以及數據采集和儲存系統來實現。隨著微型傳感器和微型計算機技術的進一步發展, 壓力和溫度變送器以及數據采集、儲存和傳輸系統會變得越來越小巧, 功能越來越強, 價格越來越便宜。把計量傳感器和采集、儲存以及傳輸數據的電子元件全部容納在一個模塊上的集成系統在未來幾年中將會成為標準件[9]。總之，盡管流量計的種類越來越多，但是孔板流量計仍將以其成熟的技術和特點廣泛應用于天然氣計量系統中。因此，廣大計量工作者必須在工作中總結經驗，不斷提高計量精度，推動天然氣計量工作的不斷向前發展。
參考文獻
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[8] 蔣洪，朱聰.提高天然氣流量計量的準確度.油氣儲運.1999，18（10）：40-42
[9]翻譯: 趙昌會，校對: 紀常杰．二十一世紀的天然氣流量計量技術展望．國外油田工程．2000，12：28-30