天然气流量计量的高级孔板阀计量特性与误差简要分析

2022-12-11

1 研究背景及意义

天然气是一种高效、清洁燃料和优质化工原料。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。作为吐哈油田运销处天然气输气工区在天然气生产计量中选用的流量计仪表是孔板流量计。输气工区共使用孔板流量计15套, 用以进站计量和外输计量。天然气输气工区的孔板流量计是由中国人民解放军第5719工厂生产的高级型可换孔板阀和北京远东罗斯蒙特仪表公司生产的智能差压变送器、压力变送器、温度变送器以及流量显示装置组成。

2 孔板流量计的计量原理及特征

2.1 孔板流量计的计量原理

孔板流量计是基于流体流动的节流原理, 利用流体流经节流元件时在其前后产生压差, 此差压值与该流量的平方成正比关系来计量流量的。

2.1.1 差压法测气原理

充满管道的流体, 当它流经管道内节流装置 (如孔板) 时, 流束将在节流装置处形成局部收缩, 使部分压能转为动能, 其结果使流速增加, 静压降低, 在节流装置前后产生了压力降。对于一定型式、一定尺寸的节流装置来说, 所产生的压差与气流量有关, 流量越大, 压差也越大;流量减少, 压差也减小;流量为零, 压差也为零。因此, 通过测量压差的大小, 就可间接地计量气体流量, 这种方法就称差压法测量气体流量。

2.1.2 流束局部收缩和压差的产生

在孔板前, 连续流动着的流体将遇到孔板的阻挡。在管壁处的流体由于受孔板阻挡, 阻力最大, 使流体速度降低, 部分动能转变成静压能, 其结果使孔板入口端面接近管壁处的流体静压力升高。而管道中心流速最大, 静压最低, 使其在同一端面形成径向压力差, 其结果将使流体质点在这一径向压差作用下产生一径向加速度。在这一径向速度作用下, 靠近管壁处的流体质点以偏转一个角度向孔口流动, 形成了流束的局部收缩。

由于流体运动的惯性, 流经节流装置后流体将继续保持原来的流动方向, 在孔板出口端面处形成一最小收缩截面, 此处流束截面最小, 流速达最大, 压力最低。此后, 流束又逐渐扩大, 压力逐渐恢复升高, 直到流体充满整个管道, 压力恢复到最大值。但孔板后的压力并没有恢复到原来的数值, 两者压力之差, 即为流体流经节流装置后所产生的压力损失。此压力损失主要是由流体流经节流装置后流束突然扩大所产生涡流呆滞现象所造成的。在孔板出口端面处, 流速已比原来增大, 静压力也就较原来低。即p1>p2 (p1、p2分别为孔板前后的压力) 。只要测量出p1、p2之差, 就可计算出通过孔板气体流量的大小。孔板流量计理论流量计算公式为:

式中:qν为工况下的体积流量, m3/s;C为流出因数, 无量纲;β=d/D, 无量纲;d为工况下孔板开孔直径, mm;D为工况下上游管道内径, mm;ε为可膨胀因数, 无量纲;△p为孔板前后的差压值, Pa;p1为工况下流体的密度, kg/m3。对于天然气而言, 在标准状态下天然气流量的实用计算公式为:

式中:qn为标准状态下天然气体积流量, m3/s;As为秒计量系数, 视采用计量单位而定。此式As=3.1794×10-6;C为流出系数;E为渐近速度系数;d为工况下孔板开孔直径, mm;FG为相对密度系数;ε为可膨胀系数;FZ为超压缩因子;FT为流动温度系数;P 1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压, MPa;△p为气流流经孔板时产生的差压, Pa。这种测量方式是以能量守衡和流动连续性方程为基础的。孔板流量计就是通过节流装置产生差压, 通过引压管将差压信号传递给计由差压变送器转换为标准信号传入主控室集散控制系统进行监控。

2.2 高级孔板阀

天然气输气工区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。

2.3 计量误差来源

孔板流量计在现场使用中还存在不少问题, 由于新疆天气温差大, 现场使用条件恶劣, 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, 特别对孔板直角入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。以下便从孔板流量计的软件问题和硬件问题两方面作简要分析。

2.3.1 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:

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。

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一定的, 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。

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。

2.3.2 孔板流量计硬件的问题产生的计量数据误差

(1) 高级孔板阀的问题。

孔板开孔不合适加工尺寸不符合设计要求。三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。检查方法是将三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。安装不妥造成的误差。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) ;上游测量管沉积脏物;上游端面沉积脏物;孔板入口直角边缘变钝、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。

(2) 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, 天然气输气工区针对这点, 增设了电伴热, 保温措施, 定期排污。

3 结语

在进一步实现天然气输气工区孔板流量计的准确计量、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) 。

摘要：文章通过分析天然气流量的孔板计量原理, 特征和高级孔板阀制造、安装特性, 从使用高级孔板阀计量天然气流量的软、硬件两方面条件分析、判断误差来源, 并提出了一些有针对性的提高计量精度的措施。

关键词：天然气流量,高级孔板阀,计量特性,误差分析