摘　要：差壓(ya)式孔闆流量(liàng)計 目前仍是(shì)我國進行天(tian)然氣流量計(ji)量的主導流(liu)量計,截至2004年(nian)💃7月氣田應用(yòng)該型流量計(jì)總量近300套。SY/T6143-1996“天(tian)然氣流量的(de)🤟标準孔闆計(jì)量方法”标準(zhun)中認爲,天然(rán)氣♋流量測量(liang)不确定度主(zhu)要由3個方面(mian)引起:流量計(ji)算方程描述(shù)流動狀态⛱️真(zhēn)實性的不确(què)定因素;被測(cè)介質實際物(wu)理性質的不(bú)确定度因素(su);測量中重要(yào)設💋備的不确(què)定度因素。爲(wèi)此,從以上3個(ge)方面對差壓(ya)式🈲孔闆流量(liang)計進行💘了不(bu)确定度研究(jiū)和實驗,包括(kuo)流出系數、孔(kong)闆技術指标(biāo)的變化對天(tiān)然☎️氣流量的(de)影響,可膨脹(zhang)系數、二次儀(yí)表的不确定(dìng)度、天然氣組(zu)分🧑🏾‍🤝‍🧑🏼變化、天然(ran)氣含水👈對天(tian)然氣流量的(de)影響,并就這(zhè)些🔴誤差因素(su)分别從節流(liú)裝置的選擇(ze)、脈動流的改(gǎi)善、規範各項(xiàng)規章制度、建(jiàn)立量值溯源(yuán)體系等方面(mian)提出了建議(yì)。
　　我國 天然氣(qi)流量計 量目(mu)前仍以差壓(ya)式孔闆流量(liang)計爲主,僅氣(qì)田目前就有(you)近300套㊙️。由于孔(kong)闆流量計的(de)誤差影響因(yin)素較多,往往(wǎng)造成計量不(bu)确定度增大(da)。通過在氣田(tián)近幾年的使(shǐ)用與研究,在(zai)孔闆流量計(jì)的誤差💜研究(jiū)方面積☀️累了(le)一些使用經(jīng)驗,提出了相(xiang)⭐應的對策予(yu)以改善或消(xiāo)除,以期對同(tong)行有所裨益(yì)。
一、誤差來源(yuán)分析
　　天然氣(qì)流量測量中(zhōng)的不确定度(du)主要來源于(yú)以下3個♍方面(miàn):①流量計算方(fāng)程中描述流(liu)體流動狀态(tài)的真實性不(bu)确定度因素(sù);②被測介質實(shi)際物理性質(zhì)(物性因素)的(de)不确定度因(yīn)素;③測量中重(zhòng)要設備的不(bú)确定度因素(su)。
針對以上3方(fang)面因素做具(jù)體分析如下(xia)。
1.流量計算方(fang)程中描述流(liu)體流動狀态(tai)的真實性
的(de)不确定度因(yīn)素
(1)流出系數(shù)C
計算公式爲(wèi):

(1)流出系數C是(shi)在上遊直管(guan)段充分長的(de)實驗條件下(xià)🌈,并且孔闆節(jiē)流裝置在滿(mǎn)足規定的技(ji)術指标下進(jin)行校💔準标定(dìng)的,才具有計(jì)量特性。
當氣(qi)流流束在孔(kǒng)闆前1D處完全(quán)充滿管道,且(qie)爲紊流狀态(tai)時,流💚出系數(shu)C的百分誤差(chà)爲:

設有一套(tao)法蘭取壓的(de)孔闆測量裝(zhuang)置,D=50mm,設計β=0.5刻度(dù)流量時的ReD0=1×106,設(shè)😍ReD1=2×104、ReD2=5×104、ReD3=1×105、ReD4=1×107、ReD5=1×108、ReD6=1×108,經過查表或(huo)計算得出C0=0.6034;C1～C6見(jiàn)表1,δ=(Ci-C0)/C0。

(2)由上例可(kě)以看出:當速(sù)度剖面較充(chōng)分發展的速(su)度剖面尖時(shí)(雷諾數小),流(liú)出系數會變(biàn)大,當速度剖(pou)面較充分發(fa)展的速度剖(pou)面平時(雷諾(nuo)數大),流出系(xi)數會變小。流(liú)出系數C随着(zhe)流量的增大(dà)而☔減小,實際(ji)流量越小于(yu)刻度流量🚩,則(zé)流出系數C引(yin)起的🏃🏻‍♂️流量誤(wù)差會越大。
(3)孔(kong)闆流量計的(de)流出系數C不(bú)是一個固定(ding)值,它随雷諾(nuò)數的📐變📱化而(ér)變化,但是當(dang)雷諾數增大(da)到某一數😘值(zhi)時,變化量減(jiǎn)小。對🈲于法蘭(lán)取壓,雷諾數(shù)應該在106以上(shang),對于🈲角接取(qu)壓,雷諾數應(ying)在2×105以上。
流量(liàng)測量不确定(dìng)度中和流出(chū)系數有關的(de)相關項🔴爲孔(kong)🐕闆開孔❄️直徑(jing),大小爲δd/d=±0.07%,測量(liang)管直徑,大小(xiao)爲δD/D=±0.4%,β值允許0.75≥β≥0.2。據(ju)公式計算出(chu)C的⛱️變化😄範圍(wei)爲:±0.0197%～±0.1791%。
2.孔闆粗糙(cāo)度、銳利度、平(ping)整度的影響(xiang)
　　SY/T6143-1996對孔闆的直(zhi)角入口做了(le)嚴格的規定(ding),即:無卷口、無(wu)毛邊、無🚶目測(cè)可見的異常(cháng)現象,并且是(shì)尖銳的直角(jiǎo)👨‍❤️‍👨,若邊緣形成(cheng)圓弧,其圓弧(hu)半徑rk≤0.0004d,孔闆開(kai)孔内圓柱面(mian)與孔闆上遊(yóu)端面垂直,誤(wu)差小于±1°,粗糙(cāo)度高度參數(shù)Ra≤0.0004d,且不影響尖(jian)銳度測試。
　　對(duì)于孔闆性能(néng)對流量的影(yǐng)響,做過相應(ying)的對比試驗(yan):分别取🛀🏻DN100mm的标(biāo)準孔闆,編号(hào)爲GKF75761,經檢測其(qi)rk爲0.05mm(允許值小(xiao)于等于0.04mm),GKF78790其粗(cū)糙度高度參(cān)數爲Ra爲45μm(允許(xǔ)值小于等💃🏻于(yu)40μm)。編号爲GKF75007的各(gè)項指标均符(fu)合要求的孔(kǒng)闆進行一相(xiàng)對穩定的氣(qì)流測量,測試(shì)中将不符合(he)🔱規格孔闆放(fang)在氣井單量(liàng)裝置,标準孔(kong)闆放入氣㊙️井(jing)外輸裝置,忽(hū)略裝置之間(jian)📐的差異,某單(dan)井一天天然(rán)氣流量測試(shì)結果見表2。實(shi)驗表明,忽略(lue)氣流的微小(xiǎo)波動,對于rk超(chao)差的不合格(gé)孔闆🌈其計量(liàng)誤差範圍爲(wèi)💯-2.81%～3.14%,Ra超差的不合(he)格孔闆計量(liàng)誤差爲🤟-2.58%～2.72%,若rk、Ra超(chāo)差嚴重則氣(qì)量偏💃🏻差更大(da),甚至可達到(dào)10%。

3.被測介質實(shi)際物理性質(zhì)的不确定度(du)因素
(1)标準中(zhong)要求流經天(tian)然氣的流體(ti)爲氣流必須(xū)是單相的牛(niú)頓流體。若氣(qi)體含有質量(liang)分數不超過(guo)2%的固體或💋液(yè)體微粒,且呈(chéng)均勻分散狀(zhuàng)态,也可被認(rèn)爲是單相的(de)牛頓流體。
　　在(zài)實際使用中(zhong),從井口到計(ji)量管線的過(guo)程中,天然氣(qi)🏃🏻通常攜帶一(yī)定量的水、脫(tuo)水劑和凝結(jie)液。這些液體(ti)來自分離效(xiao)果差的分離(lí)器和負荷大(dà)的脫水單元(yuán),當流動溫度(dù)💰和壓力變化(hua)時,氣體中的(de)重烴組分㊙️也(yě)會凝析出來(lai)。
　　實驗爲将經(jīng)過标準 渦輪(lun)流量計 計量(liàng)的天然氣在(zài)通過注水管(guan)注水後用 孔(kong)闆流量計 進(jìn)行計量。其結(jie)論爲:①用孔闆(pan)流量計測量(liang)氣體流量✂️,當(dāng)氣👨‍❤️‍👨體中🍓夾㊙️帶(dai)少量液體時(shí),流量測量不(bu)确定度偏高(gao),測量的㊙️濕氣(qi)流量随β的增(zeng)加而減少,在(zài)β比爲0.7時,測📱得(dé)的流量偏差(cha)爲-1.7%;②當夾帶少(shao)量液體時,在(zài)β比爲0.5時表⛱️明(míng)孔闆性能較(jiào)好,但是應将(jiang)夾帶液體在(zai)孔闆上遊脫(tuo)出,以獲得最(zuì)佳的計量性(xing)能;③用舊的孔(kong)闆流量計💋測(cè)量濕氣,流🈲量(liang)計量值将降(jiàng)低3%。
　　這項研究(jiu)結果說明,天(tian)然氣在進入(rù)計量裝置以(yǐ)前,如果要獲(huo)得🧡非常好的(de)計量性能,應(ying)完全脫除天(tiān)然氣中所含(han)🌏的水🛀分,對于(yú)日處理氣量(liàng)近百萬立方(fang)米的集氣站(zhàn),這一點非常(cháng)重要。
2)可膨脹(zhàng)系數(ε)

式中:κ表(biao)示等熵指數(shù)。
　　可膨脹系數(shù)的百分誤差(cha)爲:(±4Δp/p1)%。由于誤差(chà)系數的影響(xiang),如被測系統(tǒng)壓力低到4Δp/p1可(kě)以和β比較,被(bèi)測系統壓力(lì)将直接影響(xiang)到測試正确(què)💞率。當被測系(xì)統壓力爲高(gao)壓系統⁉️時,可(kě)以忽略該項(xiàng)誤差。目前在(zai)天然氣計量(liàng)中差壓一般(bān)在500～50000Pa範圍内,靜(jìng)壓在1～10MPa範圍内(nèi)。因此ε的誤差(chà)㊙️最小爲±0.0002%,最大(da)爲±0.2%(甚至會更(geng)大)。
(3)天然氣相(xiàng)對密度的影(yǐng)響
　　密度參數(shu)是天然氣測(cè)量中極爲重(zhong)要的物性參(cān)數,密度測💞量(liàng)的不确定度(dù)對整個測量(liàng)系統的不确(que)定度有着很(hen)大影❗響,目前(qian)國内普遍采(cǎi)用測量氣流(liu)壓力、氣流溫(wen)度和定時取(qǔ)樣得到氣流(liú)全組分,由于(yú)壓力溫度的(de)💃🏻波動,天然氣(qi)的相對密度(dù)并不是一個(ge)固💚定值。密度(du)不确定度估(gu)算公式爲:

　　根(gen)據計量條件(jian)估算密度帶(dai)來的不确定(ding)度:當儀表精(jīng)度較低且👉運(yùn)行在下限時(shi),不确定度爲(wèi)±1.818%;反之不确定(dìng)度則在±0.793%,由此(cǐ)可見密度在(zai)流量測量中(zhong)至關重要。所(suo)以爲了準确(que)進行天然氣(qi)計量,選用☀️在(zài)線氣相色📞譜(pu)儀進行組分(fen)在線分析是(shi)十㊙️分必要的(de)。氣田在向北(bei)京、陝西、甯夏(xia)以及西氣💘東(dōng)輸供氣的外(wai)貿計量裝置(zhì)上均采用了(le)在線色譜,平(ping)均🔞5min采樣分析(xi)一次💰,能夠及(jí)時檢測到組(zǔ)分的變化情(qíng)況,提高了計(ji)量精度。
4.測量(liang)中重要設備(bei)的不确定度(dù)因素
　　該項不(bu)确定度因素(sù)主要體現在(zai)孔闆β比選擇(ze)方面、還包🤩括(kuò)二次儀表的(de)不确定度:
(1)β比(bǐ)選擇
　　根據SY/T6143-1996中(zhōng)的體積流量(liàng)不确定度公(gōng)式爲：

據式(4)可(kě)以計算出直(zhí)徑比β與流量(liang)不确定度δQn/Qn的(de)關系如表3所(suo)示。

　　由表3可以(yi)看出,當其他(ta)參數不變的(de)情況下,直徑(jing)比β的變化對(duì)㊙️測量不确定(dìng)度的影響是(shì)很大的,現場(chang)應📐用中,操作(zuo)人員👣常根據(jù)氣量的變化(huà)來更換不同(tóng)内徑的孔闆(pǎn)來滿足使用(yòng)要求,此時,直(zhi)徑比成了影(ying)響正确率的(de)主要可變因(yin)素。β與流量測(ce)量綜合不确(què)定💚度的關系(xì)如圖1所示。結(jié)論爲:不确定(ding)度🔴基本随着(zhe)β增減而增減(jiǎn),當β小于0.6時,不(bu)确定度的變(bian)化很小,基♻️本(běn)爲一條直線(xiàn);随着β的增大(dà),不确定度迅(xun)速增大,當β=0.75時(shi),不确定度達(dá)到最大。
(2)二次(ci)儀表的不确(què)定度
　　由于目(mù)前天然氣計(ji)量大多采用(yòng)計算機智能(neng)化數據采✉️集(jí)、數據處理A/D轉(zhuan)換精度高,量(liàng)化誤差的影(yǐng)響可以忽略(luè),差壓、壓力、溫(wēn)度的測量由(yóu)于大量精度(du)智能化變送(sòng)器的應用使(shǐ)二次儀表對(dui)整個流量系(xì)統的誤差成(cheng)爲💁了非主要(yào)影響因素🌈。

1)壓力儀表(biǎo)測量誤差:主(zhu)要由壓力測(ce)量儀表的精(jīng)度引起(儀✔️表(biǎo)正确率受溫(wen)度變化影響(xiang))。采用3051T型變送(sòng)器在5.0MPa工作,溫(wēn)度變化在30℃左(zuo)右。
溫度影響(xiang):±0.15%;
　　最終精度爲(wei):ζ=±0.225%(儀表校驗誤(wù)差爲±0.075%)。
2)差壓儀(yi)表測量誤差(cha):主要由儀表(biao)精度、儀表安(an)裝位置、導壓(yā)管引起。采用(yong)3051CD型變送器在(zài)5.0MPa工作,溫度變(bian)化在30℃左右。
溫(wēn)度影響:±0.075%;
　　靜壓(yā)力影響:±0.15%;
　　安裝(zhuāng)位置可通過(guò)零點調整予(yu)以消除。
　　其最(zuì)終精度爲:ζ=±0.30%(儀(yí)表校驗誤差(chà)爲±0.075%);
　　導壓管引(yǐn)起誤差爲:±0.2%;
　　總(zǒng)體差壓誤差(cha)爲:±0.36%。
3)溫度儀表(biǎo)測量誤差:主(zhu)要由儀表精(jīng)度和安裝位(wèi)置正确性影(ying)響。
溫度儀表(biao)精度爲:ζ=±0.5%。
　　安裝(zhuang)位置的影響(xiǎng)在标準規定(ding)範圍内忽略(luè)不計。
(3)計量條(tiao)件下天然氣(qi)流量測量的(de)不确定度假(jiǎ)定流量測量(liang)裝置爲理想(xiǎng)狀态,已知條(tiáo)件:天然氣外(wài)輸測量管D20=205mm;d20=103.76mm;p=4.50MPa;Δpmax=54kPa;溫(wēn)度計上限爲(wei)50℃,正确率爲0.2級(jí),壓力、 差壓變(biàn)送器 正确率(lǜ)爲0.1級。據式(4)則(ze)有不确定度(du)爲:

二、控制誤(wù)差提高計量(liang)正确率的方(fang)法
　　因爲天然(rán)氣流量測量(liang)計算的不确(que)定度是在其(qi)他影響因🔱素(su)都不存在附(fu)加誤差的情(qing)況下計算得(dé)到的,但是使(shǐ)用中由于各(gè)種🔅原因會帶(dài)來一定的附(fù)加⭐誤差,這是(shì)需要消除的(de)👣。根據實際應(ying)用情況,提出(chū)以🏃‍♀️下控制方(fāng)法及建議。
1.孔(kǒng)闆節流裝置(zhì)必須符合标(biao)準
　　孔闆節流(liu)裝置在使用(yong)前的安裝中(zhong)應按照标準(zhun)安裝🤩設🛀🏻計♌,根(gen)據孔闆前阻(zu)力件形式配(pei)接足夠長度(du)的直管段,一(yi)般應至少前(qián)30D,氣田在開發(fā)初期部分集(jí)氣站因爲👅設(shè)計原因流量(liàng)計直管段長(zhǎng)度爲前10D後5D,造(zao)成天然氣計(jì)量輸差達到(dao)±5%～±8%,分析原因後(hòu)經過技術改(gǎi)造❗,計量管段(duàn)改爲前30D後10D,使(shi)計量輸差降(jiàng)低到±1.5%。
2.氣流中(zhong)存在脈動流(liú)的改善措施(shī)
　　天然氣從地(dì)層中采集後(hou)經節流、分離(li)、淨化後一般(bān)能🥰達到均勻(yún)👣單相的牛頓(dun)流體,在天然(ran)氣計量中由(yóu)于各👣種原因(yin)使天然🔅氣脈(mo)👈動,可以采取(qu)以下措施減(jian)小脈動流的(de)影響。
(1)在滿足(zú)計量能力的(de)條件下,應選(xuǎn)擇内徑較小(xiǎo)的測量管,使(shǐ)✨Δp、β在比較高的(de)雷諾數下運(yùn)行。
(2)采用短引(yǐn)壓管線,盡量(liang)減少引壓管(guan)線系統中的(de)阻力💋件,并使(shi)👄上🌐下遊管線(xian)長度相等,以(yǐ)減少系統中(zhong)産❄️生諧振和(hé)壓力✂️脈動振(zhèn)幅的增加。
(3)從(cóng)管線中除去(qù)遊離液體,管(guan)線中的積液(ye)引起的脈動(dong)可以采用自(zì)動清管系統(tong)或低處安裝(zhuang)分液器來處(chù)理。
爲使天然(ran)氣具有最佳(jia)的計量性能(neng),應将天然氣(qi)中的水分徹(chè)⚽底脫出。
3.加強(qiang)計量管理、建(jiàn)立健全各項(xiang)規章制度
　　嚴(yán)格貫徹執行(hang)SY/T6143-1996标準,确保裝(zhuang)置完全符合(hé)标準的技🤟術(shu)🐪要求。建立健(jiàn)全各項規章(zhāng)制度,如定期(qī)維護制度、周(zhou)期送檢制度(dù),加強對天然(rán)氣生産情況(kuang)的監測,及時(shí)消除誤差。
　　在(zài)差壓式孔闆(pan)流量計日常(chang)使用過程中(zhōng),要确保準确(que)的計量,還應(yīng)至少每月一(yī)次清洗檢測(cè)孔闆、檢查儀(yí)表💛零點、儀表(biǎo)D/A轉換通道、核(hé)對流量計算(suàn)程序,對有坑(kēng)蝕及劃痕的(de)孔闆應及時(shí)更換。氣田根(gēn)據氣質的淨(jìng)化程度,規定(dìng)集氣站每月(yuè)清洗檢查一(yī)次孔闆,貿易(yi)交接計量孔(kong)闆每半月🐕和(hé)用戶一起檢(jiǎn)查清洗一📱次(cì),同時還配備(bei)孔闆綜合測(cè)試儀定期對(dui)孔闆進行幾(jǐ)何尺寸檢定(ding),使集氣站🐪單(dan)井計量輸差(cha)能有效控制(zhì)在±1.5%以内,貿易(yi)計量輸差在(zài)±1.0%以内。
4.量值溯(su)源是确保天(tiān)然氣計量正(zheng)确率的有效(xiào)措施👌
(1)當孔闆(pǎn)節流裝置的(de)一次裝置設(shè)計、制造、安裝(zhuang)、檢驗㊙️和使用(yong)完全⁉️符合SY/T6143-1996标(biāo)準中1～7章的全(quán)部技術要求(qiú)時,即可達到(dào)幾何和流體(tǐ)力學相似,在(zài)此基礎上可(ke)以執行單參(can)👌數溯源,節流(liu)裝⛱️置部分🈲用(yòng)長度标準進(jìn)行幾何尺寸(cùn)幹檢,壓力、溫(wen)度、時間或氣(qi)樣分析🚶‍♀️用各(ge)自的标準器(qì)具或标準樣(yang)氣進行檢驗(yan),并将💃标準器(qi)與國🏃家基準(zhun)建立溯源鏈(liàn)。
(2)對用于貿易(yì)計量的孔闆(pan)流量計量裝(zhuang)置,建議流量(liàng)計投入使用(yòng)😍前或使用一(yī)段時間後,進(jìn)行實流檢定(dìng)或校準,以🐆保(bao)證一次儀表(biǎo)的正确率。
(3)天(tian)然氣組成分(fèn)析應采用GB/T13610規(guī)定的方法進(jìn)行,标準氣體(tǐ)應選擇經國(guo)家質量技術(shu)監督局考核(hé)合格的、有㊙️合(he)格證并❄️标有(you)不确定度的(de)标準氣體,标(biāo)氣正确率應(yīng)不低于二級(ji)标準氣體(2.0%)。在(zài)條🈲件許可的(de)條件下,應開(kāi)展天然🈲氣在(zài)線組成分析(xi)和🔞物性參數(shu)的在線測定(ding)。
三、結束語
　　客(ke)觀地講,在采(cǎi)用孔闆流量(liang)計測量天然(rán)氣流量時,如(ru)果對差壓式(shì)孔闆流量計(ji)的一次裝置(zhì)(孔闆節流裝(zhuang)置)和二⁉️次儀(yí)表(差壓、靜壓(yā)、溫度、天然氣(qì)物性參數計(jì)量器具等)配(pèi)套儀表的選(xuǎn)擇、設計、安👨‍❤️‍👨裝(zhuang)、使用都嚴格(gé)按照有關标(biao)準進行,并在(zài)受💃🏻控狀态下(xià)使用時,其‼️流(liú)量測量正确(que)率是可以控(kong)制在±1%～±1.5%範圍内(nèi)的。

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