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天然气站标准孔板流量计误差分析
发布公告时光(guang):2022-3-7 08:43:03

摘要:标准孔板流量计在使用过程中出现的误差,从计量仪表误差、使用条件变化差、气质条件误差、计算系数误差和其他因素引起的误差5个方面,分析引起计量误差的主要因素。严格按照标准加工孔板,正确安装,合理选择差压量程.消除脉动流,减小脉动影响,合理解决超量、加强日常管理,对参數进行合理修正、量值溯源是确保天然气计量准确度的有效措施。同时也提出采用可换孔板节流装置和定制节流装置,扩展量程范围、推进计量方式的自动化智能化发展和采用专用流量计算机积算方案等方面的改进措施,努力实现孔板流量计的最精确测量。
  天然气是一种高效、清洁燃料和优质化工原料。由于天然气管道的迅速发展,要求对天然气流量进行更加准确的计量。孔板计量方式结构简单、投资少、计量精度较高,成为我国天然气流量最主要的计量方式,并在全国各大油气田均有应用。据调查,石油天然气行业采用孔板流量计作为贸易计量的约占95%以上。天然气流量计量是天然气生产和使用中必须解决的一个重要问题,在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常进行的重要的技术基础工作。天然气的准确计量不但能公平地进行贸易结算,而且能指导改进生产工艺,提高产品质量,降低产品生产成本,提高经济效益和社会效益。公司在天然气生产计量中大多选用的流量计仪表是孔板流量计,用以外输计量。
一、孔板流量计
1.孔板流量计的特征
  加拿大28:孔板流量计的主要部件高级孔板阀(采用高级型阀式孔板节流装置),主要用于差压式流量计的信号的产生和传输,可实现在线更换孔板,不影响输送介质,无附加管路;装置内有孔板安装定位机构,标定准确度等级为0.5级;该装置设有上、下两个密封腔,以及滑阀部件,无旁设附加管线,装置上、下腔间的密封件采用全硬密封结构,阀板和阀座采用22Cr堆焊硬质合金,设有注入密封脂辅助结构,可以防止阀座、阀板密封面上污物的沉淀;采用法兰取压标准孔板作为流量检测元件。
  孔板流量测量系统一般由节流装置(标准孔板)、差压变送器及数据处理器(开方积算器或计算机)组成。孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器压力变送器)配套组成的高量程比差压流量装置,它可测量气体、蒸汽、液体及引的流量,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热供水等领域的过程控制和测量。节流装置又称为差压式流量计,是由一次检测件(节流件)和二次装置(差压变送器和流量显示仪)组成广泛应用于气体.蒸汽和液体的流量测量.具有结构简单,维修方便,性能稳定。
2.孔板流量计的主要特点
  孔板流量计的主要特点是结构简单牢固、易于复制、性能稳定可靠、价格低廉。最大优点是标准化,只要按照国际标准(ISO5167),国家标准(GB/T21446--2008)设计、制作、安装,依据国家检定规程(JJG640)进行本体几何尺寸和二次仪表检定,就可以不经实流标定而直接投入使用。使用标准孔板流量计可以无需实流校准,通过测量孔板前后差压,来确定流体流量,并可估算测量误差,是目前所有流量计中唯一达此标准的,至今尚无任何其他流量计可与之相比。但没有误差的测量是没有的,而且由于孔板流量计的测量方法是建立在实验的基础上,是经国际上长期大量深人细致研究及实践经验总结得出,所以只有与实验时的节流装置几何相似、流体动力学相似,才可得到预期的测量准确度。为了提高孔板流量计在天然气计量的准确度,分析和掌握测量装置本身在使用过程中产生误差的原因是计量工作中必不可少的一项重要工作。
二、造成天然气计量误差的原因
1.计量误差来源
  孔板流量计在现场使用中还存在不少问题,现场使用条件的好坏恶劣,节流装置与差压变送器及其连接部分引压管线孔板片就是出现误差和使用维护的重点。天然气从地层中开采出来后,虽经分离、除尘和过滤,但节流装置在使用中也受到不同程度的腐蚀,特别对孔板直角人口边缘和测量管内壁的冲刷、腐蚀尤为严重,这将影响孔板直角入口边缘半径和测量管内壁的相对粗糙的规定标准,流出系数将发生变化,流量测量不确定度超出估计数。
2.计量仪表误差
  采用孔板流量计,对孔板加工的技术要求是十分严格的,---定要符合GB2624-1981或SY/T6143-2003(用标准孔板流量计测量天然气流量)标准中的规定,否则,会给天然气流量测量结果带来很大的误差。孔板的偏心和弯曲是孔板的制造安装和使用中影响计量仪表精度的主要因素。
(1)孔板安装。尽管安装规范一般都能够掌握,但有些细节往往没有引起重视,导致较大的计量误差。如:密封垫片内孔未按环室尺寸加工,垫片伸出环室,干扰流体稳定流动:导压管走向不合理,差压无法顺顺利传导;平衡器不水平,直接产生计量误差等。
(2)孔板偏心和β的不确定度。根据标准的要求,孔板应与节流装置中的直管段对中。-.般说来,孔径比β值越高,偏心率对测:量准确度影响越大。β=d/D,d为孔板开孔直径,D为管道内径。
(3)孔板弯曲。节流装置中伸入管内的垫片、焊缝等也会引起测量误差,误差大小与突出物位置、孔板与突出物的距离以及突出量等有关。有关实验表明,当p=0.7,突出物位于孔板上游管径2倍时,产生误差最大;若突出物位于孔板上游处,误差为16%-50%。若位于下游,则对计量精度的影响相对较小。
3.孔板流量计的软件问题产生的误差
  采用标准孔板流量计测量天然气流量,其流量值与天然气组分、差压、压力、温度等有关。实际运行流量值偏离设计流量值,这是现场最常见也是我们最关心的问题。在多数情况下,设计流量值定的都比较高.但实际运行流量值较低,简要分析其原因主要有3个原因。
(1)差压变送器的可靠度是按引用误差计量的。差压计的误差分布:若系统在50%以下运行,差压计的相对误差在+1%~-+6%,对流量的影响+1%~+3%。同时由于雷诺数是流量值的函数,流量值偏离必定引起雷诺数的变化,这样必然引起流出系数的变化。这些影响集中在一起,从而产生实际运行流量值偏离设计值。
(2)介质温度压力偏离设计值在节流装置设计计算时,对介质流体(包括气体和液体)流量是设计工况下的质量流量,这特定条件包括的参数很多,主要是温度和压力参数。在这特定的条件(温度、压力等)下介质流体的密度是--定的,如果在实际运行时介质流体的温度、压力等主要参数值偏离设计值,介质流体的密度必然也会改变。而介质流体的密度改变,对流量值的影响是很直观的。
(3)为了工艺操作的方便,仪表指示值给出的是标准状态下的体积流量,这是根据介质流体的密度换算出来的。而介质流体的密度改变使其换算关系也改变。两种影响都会引起节流装置测量时的实际运行流量值偏离设计值。
4.孔板流量计硬件的问题产生的计量数据误差
  孔板开孔不合适加工尺寸不符合设计要求。3阀组中的平衡阀关不严,有少量的泄漏致使气体在引压管中流动,减少了进变送器的差压信号使仪表输出偏低。检查方法是将3阀组中的高低压阀关闭。如果平衡阀有漏,则输出会不停的缓慢下降,直至为零,否则仪表输出应不变。安装不安造成的误差。例如管线布置的偏离,管线布置的偏离造成的安装误差是普遍性的,其产生的主要原因是现场不能满足直管段要求的长度;孔板倒装使流量计示值下降。仪表本身产生的误差。例如孔板入口直角锐利度;孔板厚度误差;节流件附件产生台阶.偏心;孔板上游端面平度;环室尺寸产生台阶、偏心;取压位置;焊接、焊缝突出;取压孔加工不规范或堵塞;节流件不同轴度。其他误差。运销处天然气输气工区最常见的误差例如孔板弯曲(变形);上游测量管、上游端面沉积脏物;孔板人口直角边缘变钝破损;孔板被划伤.密封圈损坏.长期使用管道腐蚀,这些硬件问题要相对容易发现和纠正,针对硬件问题天然气输气工区制定了保养孔板的有效措施:定期对孔板进行检查,维护保养,加注密封脂,及时更换相应部件。
5.差压变送器的问题
  差压变送器高低压导管接反。现场表现为差压变送器的输出不上升反而变为零下,可用以下两种方法:一是改变检测部件和传送部件的相对位置和导压管接口;二是改变正反作用接片位置。仪表引压管堵塞,引起流量计仪表输出变化缓慢,甚至不变。天然气内含有固体悬浮颗粒或油污,时间久了,有的还会固化,引起引压管堵塞,使测量无法正常进行。例如差压变送器引压管冬季冻堵(湿气),引起计量不准确,天然气输气站针对这点,增设了电伴热,保温措施,定期排污。
6.使用条件变化引起的误差
  这种误差主要是由脉动流现象和超量程、流程频繁波动问题引起的。管道中气体流速和压力发生突然变化,造成脉动流,引起差压波动,当节流装置上出现明显的脉动流时,计量可能产生较大误差,有关文献指出脉动流引起的误差最大可达20%~30%。当前.输气干线脉动主要来源:天然气气井为气水同产,这些井的计量差压均发生波动;长输管道或气田管道积液造成差压波动;气井之间的压力干扰造成差压波动;由于小用户用气不均衡,气量瞬间发生急剧变化,供气阀突开或突关都会导致差压波动。
7.气质条件引起的误差
(1)天然气中的杂质。天然气从地层中采出来,虽然经过分离、除尘或过滤.但由于处理不彻底或集气管网和输气干线内腐蚀物的影响,使得天然气中混有少量的液体或固体杂质,这些杂质易聚集在孔板截面收缩、流速突变的孔口锐边上,而孔板流量计对孔板锐边、截面及流线的变化非常的敏感。此外,天然气中的杂质还会对孔板产生冲刷和腐蚀,特别是对孔板直角人口边缘和测量管内壁的冲刷腐蚀特别严重,这将影响到孔板直角人口边缘圆弧半径和测量管内壁相对粗糙的规定标准,孔板流出系数也将发生变化,使测量准确度达不到要求。所以.要经常对孔板进行清洗,使之保持干净、平衡的横截面。
(2)天然气的含水量。天然气的含水量也对天然气计量准确度有着很大的影响。美国雪佛龙公司和科罗拉多工程实验站用注水后的孔板流量计进行计量得到了2个结果。①孔板流量计测量气体流量,当气体中央带少量液体时,流量测量不确定度偏高,测量的湿气流量随β的增加而减少,在β比为0.7时,测得的流量偏差为-1.7%。②夹带少量液体时,在β比为0.5时表明孔板性能较好,但是应将夹带液体在孔板上游脱出.以获得最佳的计量性能。
8.计量系数引起的误差
(1)流出系数C对计量精度的影响流出系数C是在上游直管段充分长的试验条件下,并且孔板节流装置在满足规定的技术指标下进行校准标定才有效。当R较小时.流出系数会变大,当R较大时,流出系数会变小。流出系数C随流量的增大而减小,实际流量越小于刻度流量,流出系数C引起的流量误差则越大。孔板流量计的流出系数C不是一个定值,它随R的变化而变化,但是当R增大到某-数值时,变化量减小。对于法兰取压,R应该在106以上,对于角接取压,R应在2x105以上。
(2)可膨胀系数ε对流量计量的影响。ε是因气体流经孔板时密度产生变化而引人的修正系数,这是流量误差的一一个重要来源。当天然气流量低于设计流量时,实际的8低于设计的e,导致测量结果偏小;反之,测量结果偏大。当实际流量与设计流量-致,而静压P1低于设计压力,实际的ε小于设计的ε,使流量测量偏大,反之偏小。
(3)天(tian)然气(qi)(qi)(qi)压缩因子对流(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)计(ji)量(liang)(liang)(liang)的(de)影(ying)响。流(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)计(ji)量(liang)(liang)(liang)结(jie)果是以工(gong)作状态(tai)下的(de)流(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)形(xing)式给出,由(you)于各地工(gong)况(kuang)不(bu)同,需(xu)将(jiang)流(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)转(zhuan)化为统--标准(zhun)下的(de)气(qi)(qi)(qi)体(ti)(ti)流(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)。在压力不(bu)高、温(wen)度不(bu)低的(de)情(qing)况(kuang)下,可以按照(zhao)理(li)(li)想(xiang)气(qi)(qi)(qi)体(ti)(ti)方程(cheng)进行(xing)体(ti)(ti)积流(liu)(liu)量(liang)(liang)(liang)换算。然而,实际气(qi)(qi)(qi)体(ti)(ti)和理(li)(li)想(xiang)气(qi)(qi)(qi)体(ti)(ti)总(zong)有一定差别,尤(you)其是在管道压力较(jiao)大(da)或是温(wen)度变(bian)化较(jiao)大(da)的(de)情(qing)况(kuang)下,气(qi)(qi)(qi)体(ti)(ti)并(bing)不(bu)遵循理(li)(li)想(xiang)气(qi)(qi)(qi)体(ti)(ti)状态(tai)方程(cheng)。天(tian)然气(qi)(qi)(qi)压缩系数的(de)求解(jie)有卡茨曲线图求解(jie)法9.

9.其他原因引起的误差
  其他误差因素有:管道泄漏、人为破坏.管理不严、不合理的积算和取值方法、计量工况偏离标准规定条件。积算方法本身不合理,对温度、压力、气体组成的变化没有自动补偿以及突发事件等毫无疑问也是引起天然气计量误差的原因。特别是管道泄露引起的误差相当大。例如节流装置前后的差压--般都很小(有的仅为6kPa-60kPa),管道压力往往是它的几十倍,如发生导压管泄漏或堵塞,不仅给计量带来误差,而且会损坏差压变送器。
三、相关的改进措施及预防办法
1.严格按照标准加工孔板合理选择差压量程
  严格按照GB2624-1981或SYT6143-2003标准中的规定加工孔板。孔板节流装置在使用前的安装中应按照标准安装设计,根据孔板前阻力件形式.配接足够长度的直管段,至少应选孔板前30D。当场地不允许时,必须在孔板前的直管段上安装整流器。孔板人口端面必须与管道线垂直,其偏差应≤1°。安装时孔板严禁反向。要正确使用和选择压差计,当压差计工作量程在30%以下时,必须及时更换压差计的量程或孔板规格。法兰取压β值应在0.2-0.75,角接取压β值应在0.4~0.6。
2.对参数进行合理修正和管理
  在日常生产中应定期对孔板进行清洁、维修或撤换并且对测量:流量进行修正。在孔板流量计日常使用过程中,要确保准确的计量,还应至少每月一次清洗检测孔板、检查仪表零点.仪表转换通道、核对流量计算程序,对有坑蚀及划痕的孔板应及时更换。加强职工的计量业务培训,提高其技术水平和发现故障、解决问题的能力。做好系统的检修.维护、保养工作,延长其使用寿命。建立健全各级计量管理责任制度,标准计量器具周期送检和维护制度,工作仪表检验、调校和维修制度,计量设备和计量仪表的资料档案管理制度等。每月至少清洗检测1次孔板,检查仪表零点、仪表D/A转换通道,核对流量计算程序,对有坑蚀及划痕的孔板应及时更换,加强对天然气生产情况的监测,及时消除误差。从节流装置不确定度的计算公式可以看出,天然气的压力、密度、温度和压缩系数的变化将直接影响到测量的准确度,因此,应该选择合适的仪表来测量天然气的压力、密度、温度等特性参数。在天然气物性参数波动时应及时对测量误差进行修正,最好做到时时测量,时时修正。同时,应加强巡视检查,定期排污,防止管道泄漏此类情况发生。
3.量值溯源,量值溯源是确保天然气计量准确度的有效措施。
(1)当孔板节流装置的--次装置设计、制造、安装检验和使用完全符合SY/T6143-1996标准中1-7章的全部技术要求时,即可达到几何和流体力学相似,在此基础.上可以执行单参数溯源,节流装置部分用长度标准进行几何尺寸干检,压力、温度时间或气样分析用各自的标准器具或标准样气进行检验,并将标准器与国家基准建立溯源链。
(2)对用于贸易计量的孔板流量计量装置,建议流量计投人使用前或使用一段时间后,进行实流检定或校准,以保证--次仪表的准确度。
(3)天然气组成分析应采用GB/T13610--2014规定的方法进行,标准气体应选择经国家质量技术监督局考核合格的、有合格证并标有不确定度的标准气体,标准气体准确度应不低于2级标准气体(2%)。在条件许可的条件下,应开展天然气在线组成分析和物性参数的在线测定。
4.采用可换孔板节流装置和定制节流装置
  可换孔板节流装置可以在不拆动管道或不停输情况下,方便提升孔板进行检查.清洗或更换,保证计量准确。孔板流量计测量范围一般为3.5:1,而实际工况并不都在此范围,--日超过测量范围,必将引起测量误差。如果采用定值节流装置与宽量程差压变送器、智能流量积算仪或流量计算机配套使用,就能方便的实现量程的扩展,从而实现传统差压流量计的智能化。同时,采用定值节流装置有利于产品批量生产,降低生产成本。可换孔板节流装置和定值孔板相配套,将实现节流装置产品系列化、标准化,有利于提高节流装置计量的准确度。
5.推进计量方式的自动化智能化发展
  随着微传感器和微计算机技术的不断发展,天然气计量已逐步向在线、实时、智能靠近,改进传感器技术来提高天然气计量精度非常有效,将测量传感器和采集、储存及传输数据用电子元件都集于一个模件的集成系统将成为标准系统,体积更小,功能更强,价格更便宜。随着天然气输送管线的不断改进,现有的气体测量技术应得到改进。
6.采用专用流量计算机的积算方案
  专用积算方案采用现代数学计算机技术,可按用户的要求进行各种流量(体积流量和质量流量)的精确计算,自动连续地对流量进行全补偿或部分补偿,只要将流量方程中各个系数的公式按--定的要求编程,就可达到精确积算流量的目的
7.安装方面
(1)保证直管段长度:GB/T21446--2008严格规定要根据孔板前阻力件形式要求最短直管段长度。实际工作中由于输气工艺等原因,在计量装置上游往往有许多弯头等阻流件,因此由直管段长度不够引起的计量误差很常见,所以安装时必须注意。当场地不允许时,应在孔板前直管段上安装整流器。例如公司汉安线已设计加装整流器。
(2)保证流体的流动状态:流出系数的误差是影响孔板流量计准确度的一个最重要因素,而标准中给出的流出系数的不确定度是在完全按标准设计、制造、安装、使用情况下即达到几何形状相似和流体动力学相似下的估计值。而这两个相似条件综合体现在孔板上游充分发展的速度分布及没有旋涡和脉动流状态,而实际工作中远远达不到这一-水平,尤其压力波动范围宽时。消除脉动流的方法有:搞好清管、分离吹扫工作,清除管道中的积液,可在管道最低处安装分液器;在满足计量能力条件下,减小管道直径,提高差压;控制孔板下游阀广];采用短引压管线,减少管线中的阻力件,并使上下游管线长度相等,减少系统中产生谐振和压力脉动振幅增加;安装脉动衰减器。
8.使用、维护方面
  严格按标准规定使用、维护,其中孔板与差压变送器及连接部分引压管线是使用、维护的重点。工作中常遇到不易发现的问题分析及解决方法如下。
(1)当孔板损伤或入口锐利度改变,会使孔板上下游产生的差压减少,这时流量计计算结果比实际流量偏小,即流出系数发生变化,测量不确定度将超过标准给出的估算值。解决方法:①按标准对流出系数进行修正或更换孔板,此时新孔板的直径比应略大于旧孔板;②若暂无新孔板更换,应按国家标准对流出系数C进行孔板锐利度修正。
(2)孔板变形时,应更换,新孔板的直径比应小于旧孔板。(3)使用中的节流装置应按照国家标准GB/T21446--2008要求定期清洗、检查,当发现测量直管段内表壁有明显冲刷、腐蚀、结垢时应及时更换新的测量管段,否则一般情况下会使孔板流量计计量偏低。若暂无新测量管更换,应对流出系数C按标准进行粗糙度修正。
(4)为防止取压开关对差压信号的节流,应将针型阀取压开关改为与导压管相同通径的球型阀。
(5)压力变送器、差压变送器准确度要求优于1级,将使用范围控制在量程的1/4~3/4,并尽量使工作点附近示值误差最小。当差压变送器工作在量程的20%以下时,应改变差压变送器量程或更换孔板。
(6)仪表严格周期检定。注意仪表零位漂移,定期校准,采用零位漂移小的仪表;为防止静压误差,采用静压误差小的变送器,如EJA变送器。
(7)孔板上下游应使用零泄漏轨道球阀。
(8)操作人员要做好系统检修,注意平衡阀内漏及导压管漏气.堵塞问题。
四、结语
  为进一步实现天然气输气场站孔板流量计计量的准确性,尽可能的减少误差,首先要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,减少计量误差。其次测量仪表的正确选用也很重要。测量仪表应首选标准节流装置,当流量变化范围大时要考虑用宽量程智能差压变送器(天然气输气工区现用的都是智能差压变送器)。保证仪表能够稳定、长(zhang)周期(qi)运行(xing),这就是分析探讨的(de)目的(de)所(suo)在(zai)。

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