孔板流量計(jì)應(yīng)用探析

王術(shù)明

(大港油田采油一廠，天津 300280)

0 引言

由油井計(jì)量分離器分離出的天然氣由于分離不凈含有油污,屬臟污介質(zhì)；計(jì)量分離器常有氣路跑油現(xiàn)象,造成管線內(nèi)積液；天然氣流量不穩(wěn)定，并隨時(shí)間周期性地大幅度變化，屬脈動(dòng)流體。上述特點(diǎn)給天然氣計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)選型、使用維護(hù)及準(zhǔn)確計(jì)量帶來(lái)較大困難。目前，在油田單井、分隊(duì)、自用氣及外輸氣交接計(jì)量中應(yīng)用孔板流量計(jì)較多，影響孔板流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確的因素很多，筆者現(xiàn)就影響孔板流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確的因素，從孔板流量計(jì)的工作原理、孔板的管理及孔板安裝使用條件等方面結(jié)合實(shí)際情況加以分析。

1 孔板流量計(jì)工作原理

孔板流量計(jì)是根據(jù)安裝在管道中的孔板產(chǎn)生的差壓，已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來(lái)測(cè)量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。當(dāng)流體流經(jīng)設(shè)置在管道中的節(jié)流件(孔板)時(shí)，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，此時(shí)流速增大，靜壓降低，在孔板前后產(chǎn)生差壓；流量愈大，差壓愈大，因而可根據(jù)差壓來(lái)衡量流量的大小。這種測(cè)量方法以流動(dòng)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)。天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算公式如下:

(1)

式中：Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；Ag為計(jì)量系數(shù)，視差壓、靜壓采用計(jì)量單位而定；C為流出系數(shù)；E為漸進(jìn)速度系數(shù)；d為孔板開(kāi)孔直徑，mm；FG為相對(duì)密度系數(shù)；ε為可膨脹性系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為流動(dòng)溫度系數(shù)；p1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對(duì)靜壓，MPa；Δp為氣流流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，Pa。

2 孔板流量計(jì)儀表特點(diǎn)

由于節(jié)流裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，工作可靠，有一定的準(zhǔn)確度，能滿足一般工程測(cè)量和貿(mào)易計(jì)量的需要；且具有長(zhǎng)期的使用歷史，有豐富可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)加工已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，只要按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、加工、安裝、檢驗(yàn)和使用，無(wú)需進(jìn)行實(shí)測(cè)標(biāo)定，也能在已知的不確定度范圍內(nèi)進(jìn)行流量測(cè)量，這也是它得以如此廣泛使用的原因，據(jù)了解，國(guó)內(nèi)有80%以上的天然氣計(jì)量系統(tǒng)采用這種計(jì)量方法。

3 影響孔板流量計(jì)準(zhǔn)確計(jì)量的因素

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多年使用和維護(hù)孔板流量計(jì)，發(fā)現(xiàn)儀表在運(yùn)行中普遍存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)采用傳統(tǒng)孔板流量計(jì)測(cè)量存在測(cè)量范圍窄(最大為1:3.5)、測(cè)量精度低以及在氣體流量波動(dòng)范圍大時(shí)需更換不同的孔板元件等缺點(diǎn)。

2)在秋冬春三個(gè)季節(jié)，由于天然氣中含水、原油及一些顆粒雜質(zhì)，容易使差壓計(jì)導(dǎo)壓管路發(fā)生堵塞或阻塞現(xiàn)象，造成差壓計(jì)不能準(zhǔn)確地反映節(jié)流裝置產(chǎn)生的真實(shí)差壓信號(hào)。

3)由于天然氣氣液分離效果不好，在導(dǎo)壓管路中及差壓計(jì)的正負(fù)壓力室產(chǎn)生積水、積油等現(xiàn)象，使差壓計(jì)產(chǎn)生液位附加誤差造成計(jì)量不準(zhǔn)。

4)孔板流量計(jì)內(nèi)的孔板需定期檢查、清洗和檢測(cè)幾何尺寸,而天然氣計(jì)量條件差,加之管理不夠,很難定期檢修,致使許多計(jì)量站上的孔板流量計(jì)安裝后長(zhǎng)期失去管理。其結(jié)果是造成很大浪費(fèi)又沒(méi)有真正解決實(shí)際問(wèn)題。

5)對(duì)天然氣來(lái)說(shuō)，當(dāng)介質(zhì)壓力溫度變化時(shí)，其體積也隨之改變，從而使儀表顯示隨溫度壓力的變化而產(chǎn)生誤差。

6)盡管孔板流量計(jì)安裝規(guī)范一般都能夠掌握，但有些細(xì)節(jié)往往沒(méi)有引起重視，導(dǎo)致較大的計(jì)量誤差，安裝誤差如果不及時(shí)解決，會(huì)成為一個(gè)無(wú)法進(jìn)行完全定性分析的潛在誤差源。安裝誤差具有普遍性，如: a.受場(chǎng)地限制，實(shí)際安裝無(wú)法滿足設(shè)計(jì)所需的前后直管段長(zhǎng)度，引起誤差；b.實(shí)際安裝管道與設(shè)計(jì)要求不符，主要原因是施工人員領(lǐng)料時(shí)領(lǐng)用相近規(guī)格的材料，造成安裝誤差；c.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(dòng)；d.導(dǎo)壓管走向不合理，差壓無(wú)法順利傳導(dǎo)。

上述6種情況是使孔板流量計(jì)難以作到準(zhǔn)確計(jì)量天然氣的主要原因。

4 提高孔板量計(jì)計(jì)量精度的措施

標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置天然氣流量的計(jì)算公式是以通過(guò)孔板的氣流為單相、穩(wěn)定流動(dòng)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的，當(dāng)測(cè)量的氣流條件達(dá)不到規(guī)定要求時(shí)，便不能獲得可靠的測(cè)量值。對(duì)于氣流脈動(dòng)、氣質(zhì)中含水及含雜質(zhì)的油田單井天然氣計(jì)量，目前尚未找到一種方法來(lái)確定或預(yù)測(cè)一個(gè)修正系數(shù)以便彌補(bǔ)這種誤差。通過(guò)上述討論可知，要想提高雙波紋管差壓式流量計(jì)的計(jì)量精度,必須抑制氣流波動(dòng)、消除氣質(zhì)中的水分及雜質(zhì)，使氣流條件達(dá)到規(guī)定的要求，并減少環(huán)境及人為因素對(duì)儀表的影響。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)與應(yīng)用，證明以下幾種方法可以提高孔板流量計(jì)計(jì)量精度。

1)孔板節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)安裝應(yīng)嚴(yán)格按照SY/T 6143—1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，特別在安裝時(shí)，要根據(jù)孔板前阻力件形式配接足夠長(zhǎng)度的直管段，一般應(yīng)至少前30D。

2)合理選取測(cè)量點(diǎn)。a.進(jìn)入雙波紋管差壓式流量計(jì)的氣體必須先通過(guò)氣液分離器、過(guò)濾器；b.把測(cè)量管裝在對(duì)消除脈動(dòng)來(lái)說(shuō)較為有利的位置，例如裝在調(diào)壓閥的入口側(cè)或遠(yuǎn)離脈動(dòng)源。

3)為了減少脈動(dòng)幅度，可在脈動(dòng)源和測(cè)量管之間的管線上加裝一個(gè)容器(具有一定容積)或者設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的脈動(dòng)衰減器。把節(jié)流閥或限流器裝在脈動(dòng)源和測(cè)量管之間是減少脈動(dòng)的最有效方法，但是這種方法如果壓力降過(guò)大，會(huì)提高油井回壓，對(duì)油井正常生產(chǎn)有不利影響，就不宜采用。

4)在差壓仍保持較高的操作前提下，可用較小的測(cè)量管，而孔板開(kāi)孔直徑基本不變。

5)在節(jié)流裝置前、后取壓管出口處分別加裝一個(gè)具有一定容積的氣液分離器，使進(jìn)入流量計(jì)的差、靜壓信號(hào)達(dá)到先氣液分離及緩沖后再進(jìn)入流量計(jì)。

6)導(dǎo)壓管路上的上、下游導(dǎo)壓閥應(yīng)選用大通徑的球型閥。

7)選用一體化、高精度、寬量比的新型智能孔板流量計(jì)，使用維護(hù)更加方便。

8)為了防止導(dǎo)壓管的凍堵，必須對(duì)導(dǎo)壓管路進(jìn)行保溫，并增加加熱補(bǔ)償保溫措施。

9)對(duì)于因下游波動(dòng)源而引起計(jì)量點(diǎn)氣流脈動(dòng)的情況，可通過(guò)調(diào)整節(jié)流裝置下游側(cè)閥門(mén)的閥位(關(guān)小)，使計(jì)量點(diǎn)氣流脈動(dòng)幅度減小。試驗(yàn)證明，采用關(guān)小計(jì)量管下游閥的方法來(lái)控制氣流的脈動(dòng)，效果是十分明顯的。

10)在單井天然氣計(jì)量應(yīng)用時(shí)由于壓力、溫度變化會(huì)引起計(jì)量誤差，可采用具有壓力、溫度自動(dòng)補(bǔ)償和壓縮因子修正功能的智能型流量計(jì)，提高計(jì)量精度。

11)必須對(duì)導(dǎo)壓管路、孔板裝置進(jìn)行定期排污清洗工作，確保導(dǎo)壓管暢通。

12)采用直徑比β值較小的孔板。在多路計(jì)量裝置中，使每一支路在盡可能高的差壓下操作。

5 孔板流量計(jì)發(fā)展與展望

從以上對(duì)孔板流量計(jì)在油田天然氣計(jì)量應(yīng)用情況的分析中可以看出，孔板流量計(jì)存在許多不盡人意的缺點(diǎn)，用于油田天然氣計(jì)量困難和問(wèn)題較多，受各種因素影響綜合計(jì)量精度不是很高，但孔板流量計(jì)作為一種計(jì)量器具，它有悠久的歷史，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)專(zhuān)家、學(xué)者的潛心研究和完善，它的設(shè)計(jì)、計(jì)算、加工、安裝、使用、維護(hù)等環(huán)節(jié)都具備了完備的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前還沒(méi)有任何一種流量計(jì)可以和它“相提并論”。 孔板流量計(jì)作為一種經(jīng)典流量計(jì)量器具，是由若干個(gè)獨(dú)立單元組合在一起的，它們之間配置合理與否，安裝是否規(guī)范都會(huì)直接影響孔板的測(cè)量精度，因此研制一體化孔板流量計(jì)產(chǎn)品，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少運(yùn)行維護(hù)量，提高性價(jià)比，是未來(lái)前景很廣闊的項(xiàng)目，它的型式和參數(shù)是隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展而不斷優(yōu)化的，與傳統(tǒng)孔板流量計(jì)相比，當(dāng)今孔板流量計(jì)發(fā)展趨勢(shì)是一體化、高精度、寬量比的新型智能流量計(jì)，擁有補(bǔ)償功能完善的流量計(jì)算機(jī)，具有強(qiáng)大的功能軟件，同時(shí)設(shè)有RS485計(jì)算機(jī)通信接口，可與DCS連接通信，對(duì)維護(hù)檢修提供了方便，這些都為孔板流量計(jì)更好地應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)保證。

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，提高孔板流量計(jì)計(jì)量精度是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要從技術(shù)、管理、監(jiān)督等多方面著手，應(yīng)作為企業(yè)計(jì)量部門(mén)基礎(chǔ)管理工作的重點(diǎn)來(lái)抓。只有深人研究、多管齊下、措施到位，才能真正有效地提高計(jì)量精度，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和管理水平同時(shí)達(dá)到一個(gè)新的高度。

[1] 王術(shù)明.油田注水和天然氣單井計(jì)量?jī)x表.計(jì)量技術(shù)，2001(12):28-30

[2] 張樹(shù)華.標(biāo)準(zhǔn)孔板流量測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案及流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本技術(shù)要求.計(jì)量技術(shù),2006(5):49-52

[3] 盧曉剛，高玉格，張紅兵.孔板流量計(jì)存在問(wèn)題的探討.計(jì)量技術(shù),2005(8):60-62

[4] 馮欣.孔板在石化工業(yè)應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題.石油化工自動(dòng)化,2004(3):63-67

[5] 王術(shù)明，等.單井天然氣常用流量計(jì)性能特點(diǎn)及應(yīng)用.石油知識(shí),2009(5):30-31

[6] 王東，郭淑梅，白巖，單新宇.差壓式孔板流量計(jì)的誤差來(lái)源與控制對(duì)策.天然氣工業(yè),2004，24(10):132-135