孔板流量计在普光气田的应用与误差分析

天然气是一种高效、清洁的优质燃料。天然气流量计量是企业生产和经营管理中的一项重要的技术基础工作。它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。作为川气东送气源地的普光气田在天然气外输计量中选用的流量计量仪表是由艾默生生产的FLOBOSS 103流量计配套高级孔板阀使用。

一、孔板流量计的计量原理及特征

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, 以能量守衡和流动连续性方程为基础, 利用流体流经节流元件时在其前后产生压差, 而此差压值与流量平方成的正比关系来计算流量的。

(1) 差压法测气原理

具有一定压力、充满管道的天然气在流经管道内的节流装置时, 流束将在节流件处形成局部收缩, 从而流速增大, 静压降低。在节流装置前后便产生了压差, 流量越大则产生的压差也越大, 这样通过测量压差的大小就可以间接地知道流量的大小, 这就是差压法测流量的原理。

(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。

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——标准状态下天然气体积流量, 单位为立方米每秒 (m3/s) ;As——秒计量系数, 视采用计量单位而定, 此式As=311794×10-6;C——流出系数;E——渐近速度系数;D——工况下孔板开孔直径, 单位为毫米 (mm) ;FG——相对密度系数;ε——可膨胀系数;FZ——超压缩因子;FT——流动温度系数;p1——孔板上游侧取压孔气流绝对静压, 单位为兆帕 (MPa) ;Δp——气流流经孔板时产生的差压, 单位为兆帕 (MPa) 。

2. 孔板流量计的结构及特征

孔板流量计是应用最为广泛、最为普遍的压差式流量计。孔板流量计由三部分组成, 即将被测流体的流量变换成差压信号的节流装置。其中包括节流件孔板和取压装置;传输差压信号的管路;测量差压值的差压变送器及显示仪表。

孔板流量计按照是否可以带压更换孔板, 分为一体式孔板流量计和高级孔板流量计 (高级孔板阀) 。优点:原理简明, 结构简单, 应用技术成熟, 容易掌握;适应性强, 可实现在线更换、清洗、检查孔板;性能稳定可靠, 使用寿命长;孔板为标准节流件, 不需要标定。缺点:量程比小, 一般为3:1~5:1;压力损失较大;受影响因素较多, 不确定度大;对前后直管段要求高。

二、普光气田所使用的孔板流量计

由于普光气田介质的特殊性, 硫化氢含量15.16%, 二氧化碳含量8.64%, 流量计量仪表采用的是高级孔板流量计, 由高级孔板阀、FLOBOSS103流量计算机及过程连接件组成。

1. 高级孔板阀

普光气田酸气外输采用是丹尼尔高级孔板阀, 采用的检测元件是标准孔板节流装置, 该装置设有上、下两个密封腔, 以及滑阀部件, 其密封性能可靠, 可实现在线更换、清洗、检查孔板, 孔板阀的操作也灵活方便。

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316L材质, 设有注脂辅助密封结构, 可以防止阀座、阀板密封面上污物的沉淀和结垢。

阀体由上、下两部分组成, 中间滑阀连通或切断, 设有密封脂注入机构。下阀腔与孔板上游连通, 当孔板阀正常工作时, 滑阀关闭, 下阀腔压力与上游管内压力相等, 上阀腔压力与大气压力相等, 在上、下阀腔之间产生较大的压力差, 此压力差作用在滑阀下方, 从而增强其密封性。

孔板阀底部设有排污阀, 用于定期吹扫排除阀内污物杂质。上阀腔亦设置有放气孔, 可接一开关, 排出上阀腔内介质。

2. 流量计算机

普光气田地面集输系统选用的流量计算机为艾默生的FLOBOSS 103流量计算机, 集成差压、静压双变量变送器、RTD温度变送器和流量计算功能为一体。Flo Boss 103检测孔板两侧差压及管道静压, 并通过Pt100热电阻采集流体温度, 可以就地显示这些测量值, 同时也可通过标准的MODBUS RTU协议和RS485通讯接口将参数值传给站控SCADA系统。可以接收上位机控制系统下载的气体组分信息, 也可通过MODSCAN 32软件通过串口通讯向Flo Boss 103内写入气体组分信息, 还可通过配置软件ROCLINK 800人工输入组分信息。

双变量变送器 (DVS) 采用成熟可靠的罗斯蒙特电容元件技术测量差压。同时利用压阻和硅传感器技术检测静压, 测量的过程值精确、稳定和可重复性好。其专用微处理器使用存储在永久存储器中的特征化数据对原始传感器信号进行线性化和校正。读数存储于Flo Boss103的内部模拟输入点中, 通过中断的方式向变送器的处理器发送数据。RTD温度变送器采用铂电阻Pt100来采集现场流体温度, 测量范围为-40℃~240℃, 精度:±0.2℃。

3. 过程连接件

过程连接件包括2个1/4NPT的取压阀, 五阀组及引压管。双变量变送器 (DVS) 底部具有2个1/4-18 NPT内螺纹, 用于连接孔板上的引压管。上、下游管线通常连接到孔板的高、低压测。取压阀、五阀组和导压管均采用哈氏合金材质。

三、外输孔板流量计的误差分析

在普光气田现场, 各集气站场单井计量、单站外输计量及集气总站外输总计量均采取高级孔板阀配套差压检测仪表使用。而有时由于种种原因, 各集气站场的天然气计量之和与集气总站外输总计量存在输差。针对现场这一实际情况, 以外输孔板流量计为例, 从软件问题和硬件问题两方面展开分析。

1. 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、温度等参数有关。流量测量系统未能严格按计量标准要求配置相应的测量仪表, 流量计算时气体压力、温度和天然气组分的变化未能得到完全补偿, 均会造成流量计准确度下降, 形成测量误差。

而Flo Boss 103流量计算机计算软件符合GB/T2624、SY/T6143、AGA3、AGA8标准, 流量计算机符合ISO/TR 5168、GB 13283及GB/T 18603标准, 测量系统满足标准孔板流量计计量标准。

标准孔板测量是通过节流取差压, 引压管高压侧做静压, 软件根据静压、差压、温度、气体组份、孔板孔径、管径等参数计算流量计值。软件中可以对这些参数进行设置, 其中有一个参数不准确, 都可以引起流量不准确。现场通过ROCLINK 800配置软件检查各参数的配置情况, 设置值均与现场实际情况相符。

同时, 根据现场采集到的温度、压力、差压及软件中配置的管径、孔径等参数然后根据国际计量标准AGA8气体压缩因子计算方式运算出的流量与流量计测量值基本吻合。但是, 通过现场实际差压值与孔板差压量程的对比, 实际流量值与流量量程的对比分析, 部分流量计的差压、流量的实际运行值偏低, 这样会导致测量的准确度与可靠度大大降低。

2. 硬件问题产生的计量数据误差

通过现场孔板流量计的使用情况, 孔板流量计会因为孔板、五阀组、导压管路等硬件问题出现异常导致流量测量不准确。

(1) 孔板

在长时间的使用过程中, 标准孔板由于受天然气的冲蚀或机械磨损而产生划伤、变形, 孔板的光洁度下降, 入口的尖锐程度变圆, 使其圆弧半径不能满足标准要求, 引起计量数据比实际流量偏低。另外孔板厚度误差, 孔板产生台阶、偏心, 管道粗糙度影响变化, 导板周围出现腐蚀、碳化, 沉淀赃物较多等因素均会严重影响流量计量。

(2) 五阀组

五阀组中的平衡阀关不严或内漏, 有少量的泄漏致使气体在引压管中流动, 从而使进变送器的差压信号变小导致仪表输出偏低。另外, 由于普光气田的介质特殊性, 在五阀组内部出现腐蚀、硫沉积等因素也会导致测量的不准确。

(3) 仪表引压管路

仪表引压管堵塞, 引起流量计仪表输出变化缓慢, 甚至不变。在实际气体计量中天然气内含有固体悬浮颗粒或粉末, 时间久了, 有的还会固化, 引起引压管堵塞, 使无法正常测量。特别是在集气站场表现比较突出, 这是由于这部分计量的是湿气, 并且气质不洁净。

结论与建议

由于普光气田气质的特殊性, 现场使用条件也比较恶劣, 孔板流量计在现场使用中还存在不少问题, 节流装置与五阀组及其引压管线是引起计量不准确的主要原因。为实现普光气田孔板流量计的准确计量、减少误差, 首先要加强管理, 提高人员认识, 做好日常维护保养工作。

1.定期对孔板进行检查、清洗, 发现问题后及时更换;

2.定期对差压变送器进行回零检查, 发现有异常或超差情况, 应及时进行校准, 到期检定。

3. 定期对五阀组集气引压管线进行排污验漏检查, 冬季气温下降, 特别是普光气田, 易发生冻堵和硫沉积, 需增加排污次数。

摘要：普光气田是迄今为止中国规模最大、丰度最高的特大型整装海相气田之一。普光气田的气质特殊, 属高含硫化氢和二氧化碳, 硫化氢含量15.16%, 二氧化碳含量8.64%。普光气田在天然气外输计量中选用的流量计量仪表采用的是高级孔板流量计。本文说明孔板流量计在普光气田的使用情况, 并针对存在的计量问题进行了分析。

关键词：普光气田,FLOBOSS103流量计,高级孔板阀,误差分析