摘要:為了提高天然氣附加值,各油氣田紛紛采用深冷方式從天然氣中分離出乙烷氣體作為產(chǎn)品銷售。但乙烷氣體的組分、密度與常規(guī)的天然氣存在較大差異，致使貿(mào)易交接計量沒有可參照的國家及行業(yè)標(biāo)準。為了提高乙烷氣體計量的精度,應(yīng)選擇正確的測量方法,通過比較常用氣體流量計的測量原理,分析了壓縮因子計算的精度對氣體體積測量精度的影響程度，最終推薦采用質(zhì)量流星計進行乙烷氣體交接計量;同時結(jié)合質(zhì)量流星計的工作原理和現(xiàn)場實際使用過程中的經(jīng)驗,對質(zhì)量流量計的檢定、安裝和使用等環(huán)節(jié)提出合理化建議,以便為更多天然氣附加產(chǎn)品的交接計量提供技術(shù)支撐。
乙烷與液化氣、穩(wěn)定輕烴和穩(wěn)定凝析油等原料相比，具有乙烯轉(zhuǎn)換率,是優(yōu)質(zhì)的乙烯原料。近年來各油田公司通過對油氣田產(chǎn)出的天然氣進行增壓深冷將乙烷氣體分離后輸送到煉化企業(yè)，作為乙烯生產(chǎn)的原料,提高天然氣的附加價值。作為交接產(chǎn)品的管輸乙烷氣體其組分、密度與管輸天然氣存在較大差異。目前天然氣交接計量過程中執(zhí)行國家及行業(yè)標(biāo)準不適用于乙烷氣體，需要探討適合乙烷氣體交接計量的測方法，以確保乙烷氣體交接計量數(shù)據(jù)正確、公平、公正。
1常用天然氣標(biāo)準體積計算方法
目前國際上天然氣貿(mào)易交接普遍采用超聲、渦輪流量計、旋進旋渦、孔板等計量儀表。其中超聲、渦輪、旋進旋渦流量計等計量儀表直接測量均為氣體的工況體積量，然后通過氣體方程公式(1)對工況體積量Vg進行補償計算，最終換算為標(biāo)準狀態(tài)下體積量V,進行交接11。
式中:Vn為標(biāo)準狀態(tài)下的體積，Nm3;pn為標(biāo)準大氣壓力，0.101325Pa;T.為標(biāo)準狀態(tài)下的絕對溫度(293.15),K;Z.為標(biāo)準狀態(tài)下的壓縮因子;Vg為工作狀態(tài)下的體積，m3;pg為工作狀態(tài)下的絕對壓力，Pa;Tg為工作狀態(tài)下的絕對溫度(273.15+t),K;t為被測介質(zhì)攝氏溫度,℃;Zg為工作狀態(tài)下的壓縮因子。
GB/T21446--2008121《用標(biāo)準孔板測天然氣》中測量天然氣的質(zhì)量流量qm計算方法如公式(2)和公式(3)所示:
式中:qm為天然氣的質(zhì)量流量，kg;C為流出系數(shù)，與節(jié)流裝置的幾何尺寸和雷諾數(shù)相關(guān);b為直徑比，孔板開孔直徑與上游測量管內(nèi)徑之比;ε為可膨脹系數(shù),對于給定的計量裝置該值取決于流體靜壓、孔板前后差壓和等熵指數(shù);d為孔板開孔直徑，m;△p為孔板前后斷面差壓，Pa,可以采用蹉壓變送器正確測量;ρ1為介質(zhì)工作狀態(tài)下的密度,kg/m3。由公式(3)計算得出:
式中:M為于空氣的摩爾質(zhì)量,值為289626kg/kmol;G為天然滇實相對密度;R為通用氣體常數(shù),值為0.00831451MPam3/(kmolK);Ze為于空氣在標(biāo)準參比條件下的壓縮因子，值為0.99963。
式(1)(2)(3)中ρn、Tn、M、Za、R、C、d、β等參數(shù)為標(biāo)準大氣壓、絕對溫度、通用氣體常數(shù)等常數(shù)或與流量計尺寸相關(guān)的常量，取值確定，不影響計量值的精度。而Vg、Pg、Tg、Zn、Zg等為變量,其測量的精度直接影響計量值的精度。GB18603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》附錄A對以上變量的精度提出明確的要求[3),具體要求見表1。
表中溫度、勵、工作條件下的體積流量均為直接測量參數(shù),并且可以通過選用高精度的測量儀表降低測量誤差。而氣體的壓縮因子是一個非直接測量量，其大小與氣體的組分、高位發(fā)熱量、相對密度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)相關(guān)。
2壓縮因子對氣體標(biāo)準體積計算的影響
目前國際上推薦采用AGA892DC和SGERG-88方程計算工作狀態(tài)下天然氣壓縮因子。我國起草發(fā)布《天然氣壓縮因子的計算》GB/T17747--2011也采用以上兩種不同方法計算天然氣壓縮因子。國際上多數(shù)流量計生產(chǎn)廠家在流量計算機中置入以上兩種壓縮因子計算軟件。但是兩種壓縮因子計算方法對管輸天然氣的組成范圍有所限制，當(dāng)天然氣中乙烷含量超出20%后,計算的壓縮因子不確定度20.5%。通常管輸乙烷氣體中乙烷含量≥95%,遠遠超出AGA8-92DC和SGERG-88方程的適用范圍。壓縮因子計算的不確定度難以估算,直接影響交接計量的不確定度。
3質(zhì)量流量計工作原理
由于乙烷氣體壓縮因子計算的不確定度難以估計，因此在流量計選型過程中應(yīng)該避開壓縮因子計算過程，建議選擇科里奧利質(zhì)量流量計計量乙烷氣體。
科里奧利質(zhì)量流星計(簡稱科氏力流星計)是一種利用流體在振動管中流動而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表。流量計由振動管、電磁驅(qū)動器和檢測器組成。振動管(測量管道)是敏感器件,有U形、0形、環(huán)形、直管形及螺旋形等幾種形狀,振動管有單管、雙管和多管等形式，但基本原理相同。
U形管式科氏力流量計的測量原理如圖1所示。U形管的兩個開口端固定，流體由此流入和流出。U形管頂端裝有電磁驅(qū)動器，用于驅(qū)動U形管沿垂直于U形管所在平面的方向以0-0為軸按固有頻率振動。U形管的振動迫使管中流體在沿管道流動的同時又隨管道作垂直運動，此時流體將受到科氏力的作用，同時流體以反作用力作用于U形管。流體在U形管兩側(cè)的流動方向相反，所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反，從而使U形管受到一個力矩的作用，使得振動管繞R-R軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過流量計的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。檢測器測得這個變彩量，即可測得管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量。
科里奧利流量計可以將被檢測的流體質(zhì)量流量直接體現(xiàn)出來,質(zhì)量作為物質(zhì)本身的屬性其大小不隨溫度、力等參數(shù)改變而改變,計量數(shù)據(jù)可直接用于供需雙方交接計量。此外可以正確測量氣體組分，采用GB/T11062-2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》正確計算乙烷氣體標(biāo)準狀況下的密度，進而得到氣體標(biāo)準狀況下的體積流量，甚至熱:值流量。
4存在的問題及建議
4.1檢定問題
由于氣體實流檢定成本高，送檢周期長，因此質(zhì)量流量計的用戶通常選擇采用液體(水)對流量計進行檢定/校準。針對液體檢定的數(shù)據(jù)是否能夠真實反映氣體介質(zhì)運行工況下
的計量性能，在設(shè)備投用前分別采用水和天然氣兩種介質(zhì)對相同型號的2臺流量計進行了檢定。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。
由表2可知:
(1)同-臺質(zhì)量流量計用于液體計量的精度要高于氣體計量的精度。主要原因是氣體的密度要遠低于液體密度，因此計量氣體時，瞬時流量通常低于流量計最大量程的
1/3,超出計量儀表的最佳運行范圍。
(2)循環(huán)水標(biāo)定的數(shù)據(jù)如不超出流量計的精度等級的要求，氣體校準的數(shù)據(jù)也能保持在測量氣體規(guī)定的精度等級范圍內(nèi)。建議計量乙烷氣體的質(zhì)量流量計在不具備實流檢定條件的情況下，可采用循環(huán)水進行檢定/校準，但檢定和校準的流量點應(yīng)接近實際運行工況下的質(zhì)量流量，并按照液體計量精度等級的要求進行評價[81。
4.2消除安裝應(yīng)力
由于管道伸縮變形會造成應(yīng)力，使得傳感器零點發(fā)生變化，影響測量精度。因此質(zhì)量流量計在安裝過程應(yīng)注意以下幾點:.
(1)傳感器的安裝位置避開由于溫度變化可能弓|起伸縮和變形較大的工藝管段。
(2)傳感器安裝法蘭必須與管道法蘭同軸連接以減小安裝應(yīng)力，保證測量精度。
(3)應(yīng)保證與傳感器上游、下游鏈接的管道有穩(wěn)固支撐物，支撐桿應(yīng)以傳感器為中心對稱分布，支撐桿與基礎(chǔ)牢固連接。傳感器安裝位置附近管道線上的閥]或泵都需要有其
自己的支撐物，不與傳感器共用同一支撐物。
(4)為消除安裝應(yīng)力，安裝傳感器時應(yīng)先配管，將工藝管線、閥門與傳感器整體預(yù)先安裝好并吊裝，再將其與工藝主管線焊接,焊接時應(yīng)使傳感器、閥門及工藝主管線處于同鉛垂面內(nèi)。
4.3壓力補償
力影響定義為過程壓力偏離檢定/校準壓力而引起的傳感器靈敏度的變化101。流體過程壓力增大會使測量振動管呈繃緊現(xiàn)象,這種壓力效應(yīng)雖然影響量很小，但是當(dāng)使用時過程壓力與標(biāo)定壓力相差很大時，對于高精度質(zhì)量流量計精度的影響還是不容忽視的，尤其是對于管徑大、測量管壁厚小的質(zhì)量流量計影響更大。
日常工作中的壓力補償方法有流量系數(shù)標(biāo)定法、靜態(tài)壓力補償法和動態(tài)壓力補償法。具體方法可以根據(jù)現(xiàn)場的運行工作，參照廠家的說明書進行補償。對于運行壓力相對穩(wěn)定的計量工藝，可采用靜態(tài)壓力補償法。根據(jù)廠家提供的流量計產(chǎn)品樣本,可以查閱到需要進行靜態(tài)壓力補償?shù)牧髁坑嬓吞枺⒋址謩e找出壓力對流量和密度影響的系數(shù),然后用H
HART手抄器或ProLinkI12.0軟件寫入流量計。
4.4避免雜質(zhì)聚集
測量管內(nèi)壁磨損腐蝕或沉積結(jié)垢會影響測量精度,對于計量介質(zhì)為氣體的質(zhì)量流量計應(yīng)采用外殼朝上水平安裝、傾斜45°或垂直安裝傳感器3種方式，如圖2所示,避免冷凝液聚積在傳感器振動管內(nèi)。
4.5避免天然氣冰合物
在一定壓力、溫度下，天然氣中的某些成分與水生成一種外形像冰的籠形化臺物。氣體壓力的波動、流速突變產(chǎn)生攪動會加速水合物的形成，氣體的相對密度越大生成水合物的溫度范圍越寬。科里奧利質(zhì)量流量計振動管內(nèi)徑細小，在管路中屬于節(jié)流元件,對氣流有一定的擾動，乙烷氣體相對密度較天然大，在計量裝置前后很容易形成水合物阻塞管路。因此在設(shè)計過程中應(yīng)盡可能減少計量線路中阻流件的設(shè)置,必要時需要對流量計進行保溫，避開水合物形成的溫度及壓力范圍。
5結(jié)束語
乙烷交接計量目前尚無可以遵循的國家或行業(yè)標(biāo)準，SYT6659--2016《用科里奧利質(zhì)量流量計測量天然氣流量》標(biāo)準中規(guī)定適用的天然氣相對密度范圍為0.554~0.870，商品乙烷氣體的相對密度超出了該范圍，被排除在標(biāo)準的適用范圍外。但是該標(biāo)準在質(zhì)量轉(zhuǎn)換體積量的計算方法并不涉及壓縮因子的計算,從理論上講對氣體的真實相對密度不應(yīng)該有所限制。如果將該標(biāo)準=氣體的適用范圍擴大,乙烷交接計量就有據(jù)可循了。
乙烷氣體交接計量的測量方法不應(yīng)僅局限于質(zhì)量流量計的測量方法，可以進一步探索乙烷t氣體壓縮因子計算方法，對GB/T17747適用范圍進行補充，從而為乙烷氣體交接計量器具選擇的多樣性提供技術(shù)支撐。
以上內(nèi)容源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)聯(lián)系即刪除!
