摘要:文章論述了智能孔板流量計在天然氣測量中的應用情況,分析了傳統孔板流量計的原理及在石油天然氣鉆采工程領域應用的優缺點,闡述了新型一體化智能孔板流量計的特點及對未來發展前景的展望。
在20世紀初,孔板流量計應用于天然氣流量測量,經過一個世紀的發展,它已成為全世界最主要的天然氣流量計[1]。近年來,盡管出現了許多新型天然氣測量流量計,如,超聲流量計、氣體渦輪流量計等。但由于孔板流量計測量技術歷史悠久、應用范圍廣、結構簡單、使用壽命長及價格低等特點,且標準型孔板流量計可以無須校準而確定信號(差壓)與流量的關系,并估算其測量誤差等特點,在流量計中是惟一的。正是由于上述原因,在今后相當長一個時期內,由于種種因素的制約,特別是標定不能獲得妥善解決之前,孔板流量計仍是天然氣計量的主要儀表。
1 孔板流量計的測量原理
孔板流量計是根據安裝在管道中孔板產生的差壓、已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來測量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。如圖1,當流體流經設置在管道中的節流件(孔板)時,流束將在節流件處形成局部收縮。此時流速增大,靜差壓降低,在孔板前后產生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據差壓來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續性方程(質量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎,流量為[2]。
qm= C(1-β 4)- 1/2επ/[4d2(2Δpρ1)1/2],
式中,qm為質量流量,kg/s;C為流出系數m3/s;ε為可膨脹形系數;β為直徑比,β= d/ D; d為工作條件下節流件孔徑,m;D為工作條件下上游管道內徑,m;Δp為差壓,Pa,Δp= p1- p2;ρ1為上游流體密度,kg/m3。
2 新型孔板流量計的特點
由孔板流量計的測量原理可知,流量與差壓為平方根關系,如果壓差降低到原差壓的1/9,則流量將減小到原流量的1/3,這樣,對于一個差壓上限固定的差壓變送器來說,其測量精度是下降了,這就是傳統孔板流量計的量程比最大為4∶1的原因。在石油天然氣鉆采工程領域,天然氣的流量,物性參數等會隨年份不同,工況條件不同有很大差異,采用傳統孔板流量計測量存在測量范圍窄,測量精度低,需在工況變化時,更換不同的孔板元件等缺點。近年來,隨著微電子技術,計算機技術,新材料,新工藝的迅速發展,差壓變送器和流量計已大大提高其性能及可靠性,儀表廠家相繼開發了一些寬幅一體化智能孔板流量計,對原有的孔板流量計做了很大改進。
a) 流量測量范圍擴展方式改進 在石油天然氣測量中,對流量變化大的場合,傳統做法是同時配備多塊β值不同的孔板或并列幾臺流量計。新型智能孔板流量計,如,日本SONIC公司開發的孔板流量計,其流量比的范圍可在流量計算機上進行選擇。流量計算機上除設有正常流量比外,還設有2個擴展功能(如圖2),一是為了計量小流量,可將計量范圍擴大到最大可測流量的1/40,這種功能是在流量計算機上采用擴展差壓分解功能系統,不用更換孔板和差壓變送器就可完成;另一個擴展功能就是大流量側計量范圍的擴張,這是將差壓擴大,從而使大流量側的計量范圍加以擴大的一種系統。另外還有超寬幅范圍方式,量程比最大可達1∶180,采用2臺差壓變送器,各自負擔著小流量范圍和大流量范圍的測量,各自獨立發信號,流量計算機則把這些信號分成不同領域進行變換選擇,并在各領域進行演算,從而使超寬幅范圍在測量上也能保證較高的精度。雖然多投入了1臺差壓變送器,但是與并列2臺流量計的設備費用相比,既提高了經濟效益,又節省了來回切換的麻煩;與采用多塊孔板的方法相比,避免了孔板更換,降低了生產操作難度。
b) 孔板元件與二次儀表(差壓變送器及流量積算儀)一體化 傳統孔板流量計在應用中,孔板與二次儀表分開,把差壓信號送到中控進行流量計算,在流量變化較大的場合,還需配備多塊孔板,一體化流量計完全解決了這一不便,使孔板和二次儀表成為一體,省去了引壓管線,減少了故障率,改善了動態特性,方便了安裝使用[2],且體積小,節約成本,無需現場更換孔板,只需設定量程比即可,操作方便,受到用戶的歡迎。
c) 自動溫壓補償功能 孔板流量計的總精度為± 0.8%～ 5.0%[3],對孔板流量計來說,密度是影響流量計特性的最主要參數,而密度又是溫度、壓力的函數,現場壓力溫度波動是不可避免的,由此引起的物性參數的變動是使用時產生附加誤差的主要原因之一,在高精度測量時應特別注意。由于天然氣是可壓縮流體,受溫度、壓力的影響較大,為了保證精確度,常常采用溫壓補償。新型孔板流量計可將壓力和溫度信號直接送入現場流量計算機,對流量進行壓力和溫度變化時的自動補償運算,并將精確的流量值送到中控。但須注意的是,零誤差的儀表是沒有的,若補償方法不當,有累積這些儀表誤差的可能,增加了故障因素,所以,進行補償時須慎重考慮。另外,在某些場合,當流體組分發生變化時,就不能采用壓力、溫度補償,而應采用密度補償[2]。
3 發展前景
隨著科學技術的不斷發展,與傳統孔板流量計相比,當今智能孔板流量計發展趨勢是一體化、高精度、寬量比的新型流量計,并擁有補償功能完善的流量計算機,具有強大的功能軟件,同時設有RS485標準計算機通信接口,可與DCS連接通信,對維護檢修提供了方便,在工業生產過程中方便實用。同時,由于新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度,并經計算單元作氣體壓力、溫度修正或測氣體質量流量,減少了獨立的傳感器數量,簡化管線工程,降低安裝費用;減少管線開孔,降低潛在泄露點[4],提高整體可靠性,這些都為智能孔板流量計更好地應用提供了可靠的技術保證。
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