孔板流量計(jì)校正-提高計(jì)量精度詳解
孔板流量計(jì)由一次裝置(孔板、取壓裝置和前后直管段)和二次儀表(溫度傳感器、壓力變送器、差壓變送器和流量計(jì))構(gòu)成［1］。一次裝置即節(jié)流裝置;二次儀表即流量運(yùn)算裝置，壓力和差壓變送器分別將節(jié)流裝置中的壓力和壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流電流4～20mA信號(hào)，溫度傳感器將通過(guò)節(jié)流裝置的流體溫度轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，流量積算儀將前三者信號(hào)進(jìn)行充分運(yùn)算得出計(jì)量流量。
由于孔板流量計(jì)工序簡(jiǎn)單、計(jì)量可靠而且成本不高，在氣體、液體和蒸汽流量計(jì)量中被廣泛應(yīng)用。特別是在天然氣計(jì)量交易過(guò)程中，孔板流量計(jì)的應(yīng)用占90%以上。為此，針對(duì)孔板計(jì)量方法形成一套天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143-1996［2］，目的就是要按照標(biāo)準(zhǔn)要求安裝孔板計(jì)量設(shè)備并規(guī)范操作，把系統(tǒng)和不確定性誤差控制在允許的范圍之內(nèi)。
筆者從集輸氣站計(jì)量的角度出發(fā)，重點(diǎn)闡述加強(qiáng)管理和操作、提高計(jì)量精度的方法，并以大嶺集輸氣站3個(gè)管道用戶端為研究對(duì)象，在分析溫度、壓力及壓差等各要素對(duì)流量影響的基礎(chǔ)上，定量研究各要素對(duì)計(jì)量精度的影響，以得到提高孔板流量計(jì)計(jì)量精度的方法。
1、孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理：
孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝時(shí)在輸氣管道里放入一個(gè)與管軸垂直的圓孔金屬板(即孔板)，作為壓差計(jì)量的節(jié)流元件，孔板中心要與管道中心線一致，但根據(jù)孔板裝置取壓方式的差異，分為法蘭取壓孔板(圖1)和角接取壓孔板。不同的是法蘭取壓在孔板上游和下游各有一個(gè)放置測(cè)壓管的取壓孔，通過(guò)測(cè)壓管測(cè)出管道內(nèi)上、下游的壓力得出壓差，進(jìn)而計(jì)算流量;角接取壓孔板可以單獨(dú)鉆孔取壓或環(huán)隙取壓，原理與法蘭取壓孔板相似。
天然氣流經(jīng)孔板時(shí)，流束局部收縮，流速加快，靜壓力降低，在孔板前后形成壓差?？装宓牧髁繙y(cè)量以氣流的流速越大壓差就會(huì)越大為依據(jù)，它們之間符合能量守恒定律和流體連續(xù)性方程。李長(zhǎng)俊和張永紅對(duì)天然氣流量計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)［3，4］，得到了天然氣體積流量Qn計(jì)算公式:
Qn=AnCEd2FGεFZFTp1Δ槡p(1)
其中，秒計(jì)量系數(shù)An(3．1794×10－6)、流出系數(shù)C、漸進(jìn)速度系數(shù)E、孔板開(kāi)孔直徑d、超壓縮因子FZ和流動(dòng)溫度系數(shù)FT均可看作常數(shù);p1為孔板上游靜壓;Δp為孔板前后壓差;FG為相對(duì)密度系數(shù);ε為可膨脹系數(shù)?？梢钥闯?，氣體的體積流量與d、p1和Δp有關(guān)。
2、影響流量計(jì)量的因素：
對(duì)集輸氣站來(lái)說(shuō)，計(jì)量因素主要受控于計(jì)量設(shè)備、氣源性質(zhì)和輸氣條件。其中計(jì)量設(shè)備的影響誤差相對(duì)固定，且在允許范圍之內(nèi)。氣源性質(zhì)包括密度、壓縮因子等受氣體差異和含飽和水(油)的影響，只要加強(qiáng)管理、規(guī)范操作、準(zhǔn)確掌握其密度變化并做好氣液分離， 這類誤差也能得到有效控制。這樣式(1)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:
其中，Kn為孔板流量計(jì)常規(guī)參數(shù)修正系數(shù)，是一個(gè)常數(shù)；
則為溫壓梯度變化參數(shù)。
筆者基于大嶺集輸氣站的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合輸氣計(jì)量的溫度、壓力、壓差和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。大嶺集輸氣站2010年建成并投產(chǎn)，設(shè)計(jì)輸氣能力每天254萬(wàn)方，氣源來(lái)自八屋氣站，2016年供氣用戶3個(gè)，其中高壓部分經(jīng)分離器過(guò)濾直接供給吉林銷售CNG大嶺站，另一部分經(jīng)分離器過(guò)濾、水套爐和調(diào)壓撬調(diào)壓后供給長(zhǎng)燃和長(zhǎng)天，夏天較低日輸氣5萬(wàn)方，冬季***高日輸氣88萬(wàn)方，全年外輸天然氣近2億方，承擔(dān)著分公司近三分之一的輸氣任務(wù)。下面以CNG、長(zhǎng)天和長(zhǎng)燃供氣用戶(管道公稱直徑分別為100、150、200mm)為例進(jìn)行說(shuō)明。
2．1、不同孔板結(jié)構(gòu)對(duì)Kn的影響：
選取CNG、長(zhǎng)天和長(zhǎng)燃用戶用氣穩(wěn)定時(shí)間段的輸氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以天然氣體積流量Qn為縱坐標(biāo)，溫壓梯度變化參數(shù)
為橫坐標(biāo)，得出3個(gè)用戶計(jì)量設(shè)備的Kn'存在差異(Kn'=Kn/3600)，經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)(圖2、表1)，在不同條件下，CNG用戶Kn'值誤差小于2%，長(zhǎng)天用戶Kn'值誤差小于3%，長(zhǎng)燃用戶Kn'值誤差小于5%，可以明確的是輸氣壓力越高流量波動(dòng)越小，Kn'值誤差就越小，Kn值誤差也就越小。但從誤差范圍看，一套標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量設(shè)備引起的計(jì)量誤差在允許范圍內(nèi)。因此，集輸氣站可通過(guò)計(jì)算不同管道孔板計(jì)量的Kn，簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程中的流量計(jì)算過(guò)程，從而結(jié)合輸氣任務(wù)動(dòng)態(tài)地做好計(jì)量操作，完成輸氣任務(wù)。
2．2、溫度、壓力和壓差對(duì)輸氣計(jì)量的影響：
同一計(jì)量設(shè)備常數(shù)Kn一定，對(duì)流量有影響的有溫度、壓力和壓差3個(gè)參數(shù)。表2列出了同一用戶計(jì)量過(guò)程中兩個(gè)參數(shù)相同另一個(gè)不同時(shí)的流量變化，可以看出，當(dāng)兩個(gè)參數(shù)相同時(shí)，溫度變化對(duì)流量的改變是有限的，而壓力和壓差的波動(dòng)對(duì)流量的影響比較大。
對(duì)于高壓外輸用戶CNG來(lái)說(shuō)，進(jìn)站壓力受氣源供氣與站內(nèi)輸氣的雙重影響，波動(dòng)較大，但它與壓差共同影響著流量，是高壓外輸用戶***主要的兩個(gè)參數(shù);而對(duì)于調(diào)壓外輸用戶長(zhǎng)天和長(zhǎng)燃來(lái)說(shuō)，由于有調(diào)壓撬進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，因此壓力波動(dòng)范圍顯著變小，這樣壓差就成為了反映流量的***主要參數(shù)。
3、根據(jù)壓差選擇合適的量程：
對(duì)集輸氣站來(lái)說(shuō)，除了加強(qiáng)管理和規(guī)范操作外，結(jié)合壓差選擇好孔板的量程成為提高孔板流量計(jì)計(jì)量精度的關(guān)鍵。在輸氣過(guò)程中，用戶在不同時(shí)間段和不同季節(jié)的用氣需求是變化的，更換孔板的方法比較直接。但是如果需要經(jīng)常更換，會(huì)因孔板有限和頻繁操作而不現(xiàn)實(shí)，并且更換孔板的過(guò)程就會(huì)影響計(jì)量精度，這時(shí)就要考慮調(diào)節(jié)計(jì)量量程，具體方法有以下兩種。
3．1、選取合適的孔板量程：
對(duì)于CNG高壓外輸用戶，從表1數(shù)據(jù)來(lái)看，***大壓差為22kPa，但在選擇壓差量程時(shí)，不能完全以統(tǒng)計(jì)的***大壓差為依據(jù)，因?yàn)橥廨攭毫Φ淖兓皇芗敋庹究刂?，需要根?jù)具體情況進(jìn)一步計(jì)算，如***大瞬時(shí)流量值為15000m3/h，但進(jìn)站壓力為1．5、5．4MPa時(shí)，***大壓差分別為73、20kPa(實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，考慮到數(shù)據(jù)的有限性，因此***大壓差量程范圍選擇0～100kPa為宜。對(duì)于低壓用戶來(lái)說(shuō)，以長(zhǎng)天為例，當(dāng)***大瞬時(shí)流量為15000m3/h，進(jìn)站壓力為0．7、1．2MPa時(shí)，***大壓差分別為36、18kPa(實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，***大壓差量程范圍為0～60kPa即可滿足;當(dāng)***大瞬時(shí)流量為23000m3/h，進(jìn)站壓力為0．8、1．1MPa時(shí)，***大壓差分別為80、52kPa(實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，***大壓差量程范圍為0～100kPa即可滿足。
3．2、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)孔板量程范圍：
當(dāng)集輸氣站某一時(shí)期輸氣量減少或加大，更換孔板又不現(xiàn)實(shí)時(shí)，可以考慮動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)孔板量程。
如長(zhǎng)燃用戶，原***大壓差Δp1設(shè)定為100kPa，由于用氣淡季到來(lái)，持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)***大流量不超過(guò)18000m3/h，溫度為5～12℃、壓力為0．9～1．0MPa，壓差不大于42kPa，為了計(jì)量準(zhǔn)確，將***大壓差調(diào)整為70kPa就能滿足要求。同時(shí)要校驗(yàn)儀表，使它符合JB/T10564-2006［5］的規(guī)定，***大流量Qn1為30000m3/h，壓差需降為70kPa，***大流量需降為25000m3/h。由Δp1/Δp2=(Qn1/Qn2)2(Δp2為實(shí)際***大壓差)可知***大壓差降為70kPa時(shí)，實(shí)際***大流量Qn2'=25100m3/h，這時(shí)模擬電流值應(yīng)滿足25100/25000=(20－4)/(In2'－4)，In2'的值為19．94mA，即在電流信號(hào)記錄儀制式為4～20mA的情況下，原參數(shù)為20mA時(shí)，每小時(shí)走字1000個(gè)，調(diào)整后為19．94mA走字1000個(gè)，但積算儀滿刻度為20mA，就需計(jì)算出調(diào)整后20mA對(duì)應(yīng)的走字?jǐn)?shù)為每小時(shí)1004字，作為校驗(yàn)儀表的參考［6］，即(20－4)/(19．94－4)=Sn2/1000(Sn2為積算儀滿刻度時(shí)走的字?jǐn)?shù))。
4、結(jié)束語(yǔ)：
在集輸氣站計(jì)量過(guò)程中，要想提高孔板流量計(jì)的計(jì)量精度，就要加強(qiáng)管理并規(guī)范操作。除了按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行孔板計(jì)量設(shè)備的安裝并做好維護(hù)和運(yùn)行外，還要做好孔板計(jì)量的科學(xué)操作，正確使用孔板流量計(jì)。
管理和操作上要重視對(duì)氣源的掌握和跟蹤，不同氣田的天然氣密度存在差異，集輸氣站氣源不單一時(shí)，輸氣密度不能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定不變，因此，建議集輸氣站要建立氣樣取樣臺(tái)賬記錄和規(guī)范要求，定期根據(jù)實(shí)測(cè)校正天然氣密度。同時(shí)，加強(qiáng)分離器的使用和保養(yǎng)，做好排液，確保氣水(油)進(jìn)站后能夠有效分離，避免因天然氣中含有飽和水造成的計(jì)量誤差。計(jì)量上要做好技術(shù)調(diào)控，對(duì)于高壓外輸用戶要重點(diǎn)考慮壓力和壓差兩個(gè)因素，同時(shí)壓差量程選取時(shí)要充分考慮到壓力波動(dòng)的影響。對(duì)于低壓外輸用戶，因?yàn)閴毫Σ▌?dòng)范圍小，壓差為***主要因素，***大壓差變化在量程合理范圍即可?？傊瑥奶岣呒敋庹静僮饔?jì)量精度來(lái)看，要充分考慮高壓外輸和低壓外輸用戶的區(qū)別，加強(qiáng)管理，規(guī)范操作，科學(xué)選擇壓差量程，使集輸氣站的孔板計(jì)量更加。
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