摘要：標準孔板流量計在使用過程中出現(xiàn)的誤差,從計量儀表誤差、使用條件變化差、氣質條件誤差、計算系數(shù)誤差和其他因素引起的誤差5個方面，分析引起計量誤差的主要因素。嚴格按照標準加工孔板，正確安裝,合理選擇差壓量程.消除脈動流，減小脈動影響，合理解決超量、加強日常管理，對參數(shù)進行合理修正、量值溯源是確保天然氣計量精度的有效措施。同時也提出采用可換孔板節(jié)流裝置和定制節(jié)流裝置,擴展量程范圍、推進計量方式的自動化智能化發(fā)展和采用專用流量計算機積算方案等方面的改進措施，努力實現(xiàn)孔板流量計的最正確測量。
天然氣是一種高效、清潔燃料和優(yōu)質化工原料。由于天然氣管道的迅速發(fā)展,要求對天然氣流量進行更加正確的計量。孔板計量方式結構簡單、投資少、計量精度較高,成為我國天然氣流量最主要的計量方式,并在全國各大油氣田均有應用。據(jù)調查，石油天然氣行業(yè)采用孔板流量計作為貿(mào)易計量的約占95%以上。天然氣流量計量是天然氣生產(chǎn)和使用中必須解決的一個重要問題，在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中流量計量是一項日常進行的重要的技術基礎工作。天然氣的正確計量不但能公平地進行貿(mào)易結算,而且能指導改進生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質量,降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟效益和社會效益。
一、孔板流量計
1.孔板流量計的特征
孔板流量計的主要部件高級孔板閥(采用高級型閥式孔板節(jié)流裝置),主要用于差壓式流量計的信號的產(chǎn)生和傳輸,可實現(xiàn)在線更換孔板,不影響輸送介質,無附加管路;裝置內(nèi)有孔板安裝定位機構,標定精度等級為0.5級;該裝置設有上、下兩個密封腔,以及滑閥部件,無旁設附加管線,裝置上、下腔間的密封件采用全硬密封結構，閥板和閥座采用22Cr堆焊硬質合金,設有注入密封脂輔助結構,可以防止閥座、閥板密封面上污物的沉淀;采用法蘭取壓標準孔板作為流量檢測元件。
孔板流量測量系統(tǒng)一般由節(jié)流裝置(標準孔板)、差壓變送器及數(shù)據(jù)處理器(開方積算器或計算機)組成。孔板流量計是將標準孔板與多參數(shù)差壓變送器(或差壓變送器、溫度變送器及壓力變送器)配套組成的高量程比差壓流量裝置,它可測量氣體、蒸汽、液體及引的流量,廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、供熱供水等領域的過程控制和測量。節(jié)流裝置又稱為差壓式流量計,是由一次檢測件(節(jié)流件)和二次裝置(差壓變送器和流量顯示儀)組成廣泛應用于氣體.蒸汽和液體的流量測量.具有結構簡單,維修方便,性能穩(wěn)定。
2.孔板流量計的主要特點
孔板流量計的主要特點是結構簡單牢固、易于復制、性能穩(wěn)定可靠、價格低廉。最大優(yōu)點是標準化,只要按照國際標準(ISO5167),國家標準(GB/T21446--2008)設計、制作、安裝,依據(jù)國家檢定規(guī)程(JJG640)進行本體幾何尺寸和二次儀表檢定,就可以不經(jīng)實流標定而直接投入使用。使用標準孔板流量計可以無需實流校準,通過測量孔板前后差壓,來確定流體流量,并可估算測量誤差,是目前所有流量計中唯一達此標準的,至今尚無任何其他流量計可與之相比。但沒有誤差的測量是沒有的,而且由于孔板流量計的測量方法是建立在實驗的基礎上，是經(jīng)國際上長期大量深人細致研究及實踐經(jīng)驗總結得出，所以只有與實驗時的節(jié)流裝置幾何相似、流體動力學相似,才可得到預期的測量精度。為了提高孔板流量計在天然氣計量的精度,分析和掌握測量裝置本身在使用過程中產(chǎn)生誤差的原因是計量工作一項重要工作。
二、造成天然氣計量誤差的原因
1.計量誤差來源
孔板流量計在現(xiàn)場使用中還存在不少問題，現(xiàn)場使用條件的好壞惡劣,節(jié)流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線孔板片就是出現(xiàn)誤差和使用維護的重點。天然氣從地層中開采出來后,雖經(jīng)分離、除塵和過濾,但節(jié)流裝置在使用中也受到不同程度的腐蝕,特別對孔板直角人口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷、腐蝕尤為嚴重，這將影響孔板直角入口邊緣半徑和測量管內(nèi)壁的相對粗糙的規(guī)定標準，流出系數(shù)將發(fā)生變化,流量測量不確定度超出估計數(shù)。
2.計量儀表誤差
采用孔板流量計,對孔板加工的技術要求是十分嚴格的,---定要符合GB2624-1981或SY/T6143-2003(用標準孔板流量計測量天然氣流量)標準中的規(guī)定,否則，會給天然氣流量測量結果帶來很大的誤差。孔板的偏心和彎曲是孔板的制造安裝和使用中影響計量儀表精度的主要因素。
(1)孔板安裝。盡管安裝規(guī)范一般都能夠掌握,但有些細節(jié)往往沒有引起重視，導致較大的計量誤差。如:密封墊片內(nèi)孔未按環(huán)室尺寸加工，墊片伸出環(huán)室，干擾流體穩(wěn)定流動:導壓管走向不合理,差壓無法順順利傳導;平衡器不水平,直接產(chǎn)生計量誤差等。
(2)孔板偏心和β的不確定度。根據(jù)標準的要求，孔板應與節(jié)流裝置中的直管段對中。-.般說來,孔徑比β值越高,偏心率對測:量精度影響越大。β=d/D,d為孔板開孔直徑,D為管道內(nèi)徑。
(3)孔板彎曲。節(jié)流裝置中伸入管內(nèi)的墊片、焊縫等也會引起測量誤差,誤差大小與突出物位置、孔板與突出物的距離以及突出量等有關。有關實驗表明,當p=0.7,突出物位于孔板上游管徑2倍時,產(chǎn)生誤差最大;若突出物位于孔板上游處,誤差為16%-50%。若位于下游,則對計量精度的影響相對較小。
3.孔板流量計的軟件問題產(chǎn)生的誤差
采用標準孔板流量計測量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等有關。實際運行流量值偏離設計流量值,這是現(xiàn)場最常見也是我們最關心的問題。在多數(shù)情況下,設計流量值定的都比較高.但實際運行流量值較低,簡要分析其原因主要有3個原因。
(1)差壓變送器的可靠度是按引用誤差計量的。差壓計的誤差分布:若系統(tǒng)在50%以下運行，差壓計的相對誤差在+1%~-+6%,對流量的影響+1%~+3%。同時由于雷諾數(shù)是流量值的函數(shù),流量值偏離必定引起雷諾數(shù)的變化,這樣必然引起流出系數(shù)的變化。這些影響集中在一起，從而產(chǎn)生實際運行流量值偏離設計值。
(2)介質溫度壓力偏離設計值在節(jié)流裝置設計計算時,對介質流體(包括氣體和液體)流量是設計工況下的質量流量,這特定條件包括的參數(shù)很多,主要是溫度和壓力參數(shù)。在這特定的條件(溫度、壓力等)下介質流體的密度是--定的，如果在實際運行時介質流體的溫度、壓力等主要參數(shù)值偏離設計值,介質流體的密度必然也會改變。而介質流體的密度改變,對流量值的影響是很直觀的。
(3)為了工藝操作的方便,儀表指示值給出的是標準狀態(tài)下的體積流量,這是根據(jù)介質流體的密度換算出來的。而介質流體的密度改變使其換算關系也改變。兩種影響都會引起節(jié)流裝置測量時的實際運行流量值偏離設計值。
4.孔板流量計硬件的問題產(chǎn)生的計量數(shù)據(jù)誤差
孔板開孔不合適加工尺寸不符合設計要求。3閥組中的平衡閥關不嚴,有少量的泄漏致使氣體在引壓管中流動,減少了進變送器的差壓信號使儀表輸出偏低。檢查方法是將3閥組中的高低壓閥關閉。如果平衡閥有漏,則輸出會不停的緩慢下降,直至為零,否則儀表輸出應不變。安裝不安造成的誤差。例如管線布置的偏離,管線布置的偏離造成的安裝誤差是普遍性的,其產(chǎn)生的主要原因是現(xiàn)場不能滿足直管段要求的長度;孔板倒裝使流量計示值下降。儀表本身產(chǎn)生的誤差。例如孔板入口直角銳利度;孔板厚度誤差;節(jié)流件附件產(chǎn)生臺階.偏心;孔板上游端面平度;環(huán)室尺寸產(chǎn)生臺階、偏心;取壓位置;焊接、焊縫突出;取壓孔加工不規(guī)范或堵塞;節(jié)流件不同軸度。其他誤差。運銷處天然氣輸氣工區(qū)最常見的誤差例如孔板彎曲(變形);上游測量管、上游端面沉積臟物;孔板人口直角邊緣變鈍破損;孔板被劃傷.密封圈損壞.長期使用管道腐蝕,這些硬件問題要相對容易發(fā)現(xiàn)和糾正,針對硬件問題天然氣輸氣工區(qū)制定了保養(yǎng)孔板的有效措施:定期對孔板進行檢查,維護保養(yǎng),加注密封脂,及時更換相應部件。
5.差壓變送器的問題
差壓變送器高低壓導管接反。現(xiàn)場表現(xiàn)為差壓變送器的輸出不上升反而變?yōu)榱阆?可用以下兩種方法:一是改變檢測部件和傳送部件的相對位置和導壓管接口;二是改變正反作用接片位置。儀表引壓管堵塞,引起流量計儀表輸出變化緩慢,甚至不變。天然氣內(nèi)含有固體懸浮顆粒或油污,時間久了,有的還會固化,引起引壓管堵塞,使測量無法正常進行。例如差壓變送器引壓管冬季凍堵(濕氣),引起計量不正確,天然氣輸氣站針對這點,增設了電伴熱,保溫措施，定期排污。
6.使用條件變化引起的誤差
這種誤差主要是由脈動流現(xiàn)象和超量程、流程頻繁波動問題引起的。管道中氣體流速和壓力發(fā)生突然變化,造成脈動流,引起差壓波動，當節(jié)流裝置上出現(xiàn)明顯的脈動流時,計量可能產(chǎn)生較大誤差,有關文獻指出脈動流引起的誤差最大可達20%~30%。當前.輸氣干線脈動主要來源:天然氣氣井為氣水同產(chǎn),這些井的計量差壓均發(fā)生波動;長輸管道或氣田管道積液造成差壓波動;氣井之間的壓力干擾造成差壓波動;由于小用戶用氣不均衡，氣量瞬間發(fā)生急劇變化，供氣閥突開或突關都會導致差壓波動。
7.氣質條件引起的誤差
(1)天然氣中的雜質。天然氣從地層中采出來,雖然經(jīng)過分離、除塵或過濾.但由于處理不徹底或集氣管網(wǎng)和輸氣干線內(nèi)腐蝕物的影響,使得天然氣中混有少量的液體或固體雜質,這些雜質易聚集在孔板截面收縮、流速突變的孔口銳邊上，而孔板流量計對孔板銳邊、截面及流線的變化非常的敏感。此外,天然氣中的雜質還會對孔板產(chǎn)生沖刷和腐蝕，特別是對孔板直角人口邊緣和測量管內(nèi)壁的沖刷腐蝕特別嚴重，這將影響到孔板直角人口邊緣圓弧半徑和測量管內(nèi)壁相對粗糙的規(guī)定標準，孔板流出系數(shù)也將發(fā)生變化,使測量精度達不到要求。所以.要經(jīng)常對孔板進行清洗,使之保持干凈、平衡的橫截面。
(2)天然氣的含水量。天然氣的含水量也對天然氣計量精度有著很大的影響。用注水后的孔板流量計進行計量得到了2個結果。①孔板流量計測量氣體流量,當氣體中央帶少量液體時,流量測量不確定度偏高,測量的濕氣流量隨β的增加而減少,在β比為0.7時,測得的流量偏差為-1.7%。②夾帶少量液體時,在β比為0.5時表明孔板性能較好,但是應將夾帶液體在孔板上游脫出.以獲得計量性能。
8.計量系數(shù)引起的誤差
(1)流出系數(shù)C對計量精度的影響流出系數(shù)C是在上游直管段充分長的試驗條件下，并且孔板節(jié)流裝置在滿足規(guī)定的技術指標下進行校準標定才有效。當R較小時.流出系數(shù)會變大,當R較大時,流出系數(shù)會變小。流出系數(shù)C隨流量的增大而減小，實際流量越小于刻度流量,流出系數(shù)C引起的流量誤差則越大。孔板流量計的流出系數(shù)C不是一個定值,它隨R的變化而變化,但是當R增大到某-數(shù)值時,變化量減小。對于法蘭取壓,R應該在106以上,對于角接取壓,R應在2x105以上。
(2)可膨脹系數(shù)ε對流量計量的影響。ε是因氣體流經(jīng)孔板時密度產(chǎn)生變化而引人的修正系數(shù)，這是流量誤差的一一個重要來源。當天然氣流量低于設計流量時,實際的8低于設計的e,導致測量結果偏小;反之,測量結果偏大。當實際流量與設計流量-致,而靜壓P1低于設計壓力,實際的ε小于設計的ε,使流量測量偏大,反之偏小。
(3)天然氣壓縮因子對流量計量的影響。流量計量結果是以工作狀態(tài)下的流量形式給出,由于各地工況不同,需將流量轉化為統(tǒng)--標準下的氣體流量。在壓力不高、溫度不低的情況下,可以按照理想氣體方程進行體積流量換算。然而,實際氣體和理想氣體總有一定差別，尤其是在管道壓力較大或是溫度變化較大的情況下,氣體并不遵循理想氣體狀態(tài)方程。天然氣壓縮系數(shù)的求解有卡茨曲線圖求解法9.
9.其他原因引起的誤差
其他誤差因素有:管道泄漏、人為破壞.管理不嚴、不合理的積算和取值方法、計量工況偏離標準規(guī)定條件。積算方法本身不合理,對溫度、壓力、氣體組成的變化沒有自動補償以及突發(fā)事件等毫無疑問也是引起天然氣計量誤差的原因。特別是管道泄露引起的誤差相當大。例如節(jié)流裝置前后的差壓--般都很小(有的僅為6kPa-60kPa),管道壓力往往是它的幾十倍,如發(fā)生導壓管泄漏或堵塞,不僅給計量帶來誤差,而且會損壞差壓變送器。
三、相關的改進措施及預防辦法
1.嚴格按照標準加工孔板合理選擇差壓量程
嚴格按照GB2624-1981或SYT6143-2003標準中的規(guī)定加工孔板。孔板節(jié)流裝置在使用前的安裝中應按照標準安裝設計,根據(jù)孔板前阻力件形式.配接足夠長度的直管段,至少應選孔板前30D。當場地不允許時,必須在孔板前的直管段上安裝整流器。孔板人口端面必須與管道線垂直,其偏差應≤1°。安裝時孔板嚴禁反向。要正確使用和選擇壓差計,當壓差計工作量程在30%以下時，必須及時更換壓差計的量程或孔板規(guī)格。法蘭取壓β值應在0.2-0.75,角接取壓β值應在0.4~0.6。
2.對參數(shù)進行合理修正和管理
在日常生產(chǎn)中應定期對孔板進行清潔、維修或撤換并且對測量:流量進行修正。在孔板流量計日常使用過程中,要確保正確的計量,還應至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點.儀表轉換通道、核對流量計算程序,對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換。加強職工的計量業(yè)務培訓，提高其技術水平和發(fā)現(xiàn)故障、解決問題的能力。做好系統(tǒng)的檢修.維護、保養(yǎng)工作,延長其使用壽命。建立健全各級計量管理責任制度,標準計量器具周期送檢和維護制度,工作儀表檢驗、調校和維修制度,計量設備和計量儀表的資料檔案管理制度等。每月至少清洗檢測1次孔板,檢查儀表零點、儀表D/A轉換通道,核對流量計算程序,對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換,加強對天然氣生產(chǎn)情況的監(jiān)測,及時消除誤差。從節(jié)流裝置不確定度的計算公式可以看出,天然氣的壓力、密度、溫度和壓縮系數(shù)的變化將直接影響到測量的精度,因此,應該選擇合適的儀表來測量天然氣的壓力、密度、溫度等特性參數(shù)。在天然氣物性參數(shù)波動時應及時對測量誤差進行修正,最好做到時時測量,時時修正。同時,應加強巡視檢查,定期排污,防止管道泄漏此類情況發(fā)生。
3.量值溯源,量值溯源是確保天然氣計量精度的有效措施。
(1)當孔板節(jié)流裝置的--次裝置設計、制造、安裝檢驗和使用完全符合SY/T6143-1996標準中1-7章的全部技術要求時,即可達到幾何和流體力學相似,在此基礎.上可以執(zhí)行單參數(shù)溯源，節(jié)流裝置部分用長度標準進行幾何尺寸干檢,壓力、溫度時間或氣樣分析用各自的標準器具或標準樣氣進行檢驗,并將標準器與國家基準建立溯源鏈。
(2)對用于貿(mào)易計量的孔板流量計量裝置,建議流量計投人使用前或使用一段時間后,進行實流檢定或校準,以保證--次儀表的精度。
(3)天然氣組成分析應采用GB/T13610--2014規(guī)定的方法進行,標準氣體應選擇經(jīng)國家質量技術監(jiān)督局考核合格的、有合格證并標有不確定度的標準氣體，標準氣體精度應不低于2級標準氣體(2%)。在條件許可的條件下,應開展天然氣在線組成分析和物性參數(shù)的在線測定。
4.采用可換孔板節(jié)流裝置和定制節(jié)流裝置
可換孔板節(jié)流裝置可以在不拆動管道或不停輸情況下,方便提升孔板進行檢查.清洗或更換,保證計量正確。孔板流量計測量范圍一般為3.5:1,而實際工況并不都在此范圍,--日超過測量范圍,必將引起測量誤差。如果采用定值節(jié)流裝置與寬量程差壓變送器、智能流量積算儀或流量計算機配套使用,就能方便的實現(xiàn)量程的擴展,從而實現(xiàn)傳統(tǒng)差壓流量計的智能化。同時，采用定值節(jié)流裝置有利于產(chǎn)品批量生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本。可換孔板節(jié)流裝置和定值孔板相配套,將實現(xiàn)節(jié)流裝置產(chǎn)品系列化、標準化，有利于提高節(jié)流裝置計量的精度。
5.推進計量方式的自動化智能化發(fā)展
隨著微傳感器和微計算機技術的不斷發(fā)展，天然氣計量已逐步向在線、實時、智能靠近,改進傳感器技術來提高天然氣計量精度非常有效,將測量傳感器和采集、儲存及傳輸數(shù)據(jù)用電子元件都集于一個模件的集成系統(tǒng)將成為標準系統(tǒng),體積更小,功能更強,價格更便宜。隨著天然氣輸送管線的不斷改進,現(xiàn)有的氣體測量技術應得到改進。
6.采用專用流量計算機的積算方案
專用積算方案采用現(xiàn)代數(shù)學計算機技術，可按用戶的要求進行各種流量(體積流量和質量流量)的精確計算,自動連續(xù)地對流量進行全補償或部分補償，只要將流量方程中各個系數(shù)的公式按--定的要求編程,就可達到精確積算流量的目的
7.安裝方面
(1)保證直管段長度:GB/T21446--2008嚴格規(guī)定要根據(jù)孔板前阻力件形式要求最短直管段長度。實際工作中由于輸氣工藝等原因,在計量裝置上游往往有許多彎頭等阻流件,因此由直管段長度不夠引起的計量誤差很常見,所以安裝時必須注意。當場地不允許時,應在孔板前直管段上安裝整流器。例如公司漢安線已設計加裝整流器。
(2)保證流體的流動狀態(tài):流出系數(shù)的誤差是影響孔板流量計精度的一個最重要因素，而標準中給出的流出系數(shù)的不確定度是在完全按標準設計、制造、安裝、使用情況下即達到幾何形狀相似和流體動力學相似下的估計值。而這兩個相似條件綜合體現(xiàn)在孔板上游充分發(fā)展的速度分布及沒有旋渦和脈動流狀態(tài)，而實際工作中遠遠達不到這一-水平，尤其壓力波動范圍寬時。消除脈動流的方法有:搞好清管、分離吹掃工作,清除管道中的積液，可在管道最低處安裝分液器;在滿足計量能力條件下,減小管道直徑,提高差壓;控制孔板下游閥廣];采用短引壓管線,減少管線中的阻力件,并使上下游管線長度相等,減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動振幅增加;安裝脈動衰減器。
8.使用、維護方面
嚴格按標準規(guī)定使用、維護,其中孔板與差壓變送器及連接部分引壓管線是使用、維護的重點。工作中常遇到不易發(fā)現(xiàn)的問題分析及解決方法如下。
(1)當孔板損傷或入口銳利度改變,會使孔板上下游產(chǎn)生的差壓減少,這時流量計計算結果比實際流量偏小，即流出系數(shù)發(fā)生變化,測量不確定度將超過標準給出的估算值。解決方法:①按標準對流出系數(shù)進行修正或更換孔板，此時新孔板的直徑比應略大于舊孔板;②若暫無新孔板更換,應按國家標準對流出系數(shù)C進行孔板銳利度修正。
(2)孔板變形時,應更換,新孔板的直徑比應小于舊孔板。(3)使用中的節(jié)流裝置應按照國家標準GB/T21446--2008要求定期清洗、檢查,當發(fā)現(xiàn)測量直管段內(nèi)表壁有明顯沖刷、腐蝕、結垢時應及時更換新的測量管段,否則一般情況下會使孔板流量計計量偏低。若暫無新測量管更換,應對流出系數(shù)C按標準進行粗糙度修正。
(4)為防止取壓開關對差壓信號的節(jié)流,應將針型閥取壓開關改為與導壓管相同通徑的球型閥。
(5)壓力變送器、差壓變送器精度要求優(yōu)于1級,將使用范圍控制在量程的1/4~3/4，并盡量使工作點附近示值誤差最小。當差壓變送器工作在量程的20%以下時,應改變差壓變送器量程或更換孔板。
(6)儀表嚴格周期檢定。注意儀表零位漂移,定期校準,采用零位漂移小的儀表;為防止靜壓誤差，采用靜壓誤差小的變送器,如EJA變送器。
(7)孔板上下游應使用零泄漏軌道球閥。
(8)操作人員要做好系統(tǒng)檢修,注意平衡閥內(nèi)漏及導壓管漏氣.堵塞問題。
四、結語
為進一步實現(xiàn)天然氣輸氣場站孔板流量計計量的正確性，盡可能的減少誤差,首先要加強管理提高人員素質。孔板流量計易于偏離標準的原因在于儀表本身的工作原理與結構特點，儀器自身誤差是制造時產(chǎn)生的，安裝和使用誤差則是在安裝時或長期使用中由于流體介質腐蝕、磨損等造成的。因此,應嚴格按技術要求安裝流量計量系統(tǒng),消除安裝誤差。在使用過程中，操作人員應做好系統(tǒng)的檢修.維護保養(yǎng)工作.延長其使用壽命，減少計量誤差。其次測量儀表的正確選用也很重要。測量儀表應標準節(jié)流裝置，當流量變化范圍大時要考慮用寬量程智能差壓變送器(天然氣輸氣工區(qū)現(xiàn)用的都是智能差壓變送器)。保證儀表能夠穩(wěn)定、長周期運行,這就是分析探討的目的所在。
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