孔板流量計(jì)在普光氣田的應(yīng)用與誤差分析

李海 李靜 李亮 鄭璐璐 王正平(中原油田普光分公司采氣廠 四川 達(dá)州 636156)

天然氣是一種高效、清潔的優(yōu)質(zhì)燃料。天然氣流量計(jì)量是企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理中的一項(xiàng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作。它的準(zhǔn)確計(jì)量不但能公平地進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，而且能指導(dǎo)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。作為川氣東送氣源地的普光氣田在天然氣外輸計(jì)量中選用的流量計(jì)量?jī)x表是由艾默生生產(chǎn)的FLOBOSS 103流量計(jì)配套高級(jí)孔板閥使用。

一、孔板流量計(jì)的計(jì)量原理及特征

1.孔板流量計(jì)的計(jì)量原理

孔板流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，以能量守衡和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，利用流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)在其前后產(chǎn)生壓差，而此差壓值與流量平方成的正比關(guān)系來(lái)計(jì)算流量的。

（1）差壓法測(cè)氣原理

具有一定壓力、充滿管道的天然氣在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而流速增大，靜壓降低。在節(jié)流裝置前后便產(chǎn)生了壓差，流量越大則產(chǎn)生的壓差也越大，這樣通過(guò)測(cè)量壓差的大小就可以間接地知道流量的大小，這就是差壓法測(cè)流量的原理。

（2）流束局部收縮和壓差的產(chǎn)生

在孔板前，連續(xù)流動(dòng)著的流體將遇到孔板的阻擋。在管壁處的流體由于受孔板阻擋，阻力最大，使流體速度降低，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成靜壓能，其結(jié)果使孔板入口端面接近管壁處的流體靜壓力升高。而管道中心流速最大，靜壓最低，使其在同一端面形成徑向壓力差，其結(jié)果將使流體質(zhì)點(diǎn)在這一徑向壓差作用下產(chǎn)生一徑向加速度。在這一徑向速度作用下，靠近管壁處的流體質(zhì)點(diǎn)以偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度向孔口流動(dòng)，形成了流束的局部收縮。

由于流體運(yùn)動(dòng)的慣性，流經(jīng)節(jié)流裝置后流體將繼續(xù)保持原來(lái)的流動(dòng)方向，在孔板出口端面形成一最小收縮截面，此處流束截面最小，流速達(dá)最大，壓力最低。此后，流束又逐漸擴(kuò)大，壓力逐漸恢復(fù)升高，直到流體充滿整個(gè)管道，壓力恢復(fù)到最大值。但孔板后的壓力并沒(méi)有恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值，兩者壓力之差，即為流體流經(jīng)節(jié)流裝置后所產(chǎn)生的壓力損失。此壓力損失主要是由流體流經(jīng)節(jié)流裝置后流束突然擴(kuò)大所產(chǎn)生渦流呆滯現(xiàn)象所造成的。

對(duì)于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣流量的實(shí)用計(jì)算公式為：

式中：qn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，單位為立方米每秒（m3/s）；As——秒計(jì)量系數(shù)，視采用計(jì)量單位而定，此式As=311794×10-6；C——流出系數(shù)；E——漸近速度系數(shù)；D——工況下孔板開孔直徑，單位為毫米（mm）；FG——相對(duì)密度系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；FZ——超壓縮因子；FT——流動(dòng)溫度系數(shù)；p1——孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對(duì)靜壓，單位為兆帕（MPa）；Δp——?dú)饬髁鹘?jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，單位為兆帕（MPa）。

2.孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及特征

孔板流量計(jì)是應(yīng)用最為廣泛、最為普遍的壓差式流量計(jì)。孔板流量計(jì)由三部分組成，即將被測(cè)流體的流量變換成差壓信號(hào)的節(jié)流裝置。其中包括節(jié)流件孔板和取壓裝置；傳輸差壓信號(hào)的管路；測(cè)量差壓值的差壓變送器及顯示儀表。

孔板流量計(jì)按照是否可以帶壓更換孔板，分為一體式孔板流量計(jì)和高級(jí)孔板流量計(jì)（高級(jí)孔板閥）。優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用技術(shù)成熟，容易掌握；適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在線更換、清洗、檢查孔板；性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)；孔板為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，不需要標(biāo)定。 缺點(diǎn)：量程比小，一般為3:1～5:1；壓力損失較大；受影響因素較多，不確定度大；對(duì)前后直管段要求高。

二、普光氣田所使用的孔板流量計(jì)

由于普光氣田介質(zhì)的特殊性，硫化氫含量15.16%，二氧化碳含量8.64%，流量計(jì)量?jī)x表采用的是高級(jí)孔板流量計(jì)，由高級(jí)孔板閥、FLOBOSS103流量計(jì)算機(jī)及過(guò)程連接件組成。

1.高級(jí)孔板閥

普光氣田酸氣外輸采用是丹尼爾高級(jí)孔板閥，采用的檢測(cè)元件是標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置，該裝置設(shè)有上、下兩個(gè)密封腔，以及滑閥部件，其密封性能可靠，可實(shí)現(xiàn)在線更換、清洗、檢查孔板，孔板閥的操作也靈活方便。

裝置上、下腔間的密封件采用全硬密封結(jié)構(gòu)，閥板和閥座采用316L材質(zhì)，設(shè)有注脂輔助密封結(jié)構(gòu)，可以防止閥座、閥板密封面上污物的沉淀和結(jié)垢。

閥體由上、下兩部分組成，中間滑閥連通或切斷，設(shè)有密封脂注入機(jī)構(gòu)。下閥腔與孔板上游連通，當(dāng)孔板閥正常工作時(shí)，滑閥關(guān)閉，下閥腔壓力與上游管內(nèi)壓力相等，上閥腔壓力與大氣壓力相等，在上、下閥腔之間產(chǎn)生較大的壓力差，此壓力差作用在滑閥下方，從而增強(qiáng)其密封性。

孔板閥底部設(shè)有排污閥，用于定期吹掃排除閥內(nèi)污物雜質(zhì)。上閥腔亦設(shè)置有放氣孔，可接一開關(guān)，排出上閥腔內(nèi)介質(zhì)。

2.流量計(jì)算機(jī)

普光氣田地面集輸系統(tǒng)選用的流量計(jì)算機(jī)為艾默生的FLOBOSS 103流量計(jì)算機(jī)，集成差壓、靜壓雙變量變送器、RTD溫度變送器和流量計(jì)算功能為一體。FloBoss 103檢測(cè)孔板兩側(cè)差壓及管道靜壓，并通過(guò)Pt100熱電阻采集流體溫度，可以就地顯示這些測(cè)量值，同時(shí)也可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU協(xié)議和RS485通訊接口將參數(shù)值傳給站控SCADA系統(tǒng)?？梢越邮丈衔粰C(jī)控制系統(tǒng)下載的氣體組分信息，也可通過(guò)MODSCAN 32軟件通過(guò)串口通訊向FloBoss 103內(nèi)寫入氣體組分信息，還可通過(guò)配置軟件ROCLINK 800人工輸入組分信息。

雙變量變送器（DVS）采用成熟可靠的羅斯蒙特電容元件技術(shù)測(cè)量差壓。同時(shí)利用壓阻和硅傳感器技術(shù)檢測(cè)靜壓，測(cè)量的過(guò)程值精確、穩(wěn)定和可重復(fù)性好。其專用微處理器使用存儲(chǔ)在永久存儲(chǔ)器中的特征化數(shù)據(jù)對(duì)原始傳感器信號(hào)進(jìn)行線性化和校正。讀數(shù)存儲(chǔ)于FloBoss103的內(nèi)部模擬輸入點(diǎn)中，通過(guò)中斷的方式向變送器的處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。RTD溫度變送器采用鉑電阻Pt100來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)流體溫度，測(cè)量范圍為-40℃～240℃，精度：±0.2℃。

3.過(guò)程連接件

過(guò)程連接件包括2個(gè)1/4NPT的取壓閥，五閥組及引壓管。雙變量變送器(DVS)底部具有2個(gè)1/4-18 NPT內(nèi)螺紋，用于連接孔板上的引壓管。上、下游管線通常連接到孔板的高、低壓測(cè)。取壓閥、五閥組和導(dǎo)壓管均采用哈氏合金材質(zhì)。

三、外輸孔板流量計(jì)的誤差分析

在普光氣田現(xiàn)場(chǎng)，各集氣站場(chǎng)單井計(jì)量、單站外輸計(jì)量及集氣總站外輸總計(jì)量均采取高級(jí)孔板閥配套差壓檢測(cè)儀表使用。而有時(shí)由于種種原因，各集氣站場(chǎng)的天然氣計(jì)量之和與集氣總站外輸總計(jì)量存在輸差。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)這一實(shí)際情況，以外輸孔板流量計(jì)為例，從軟件問(wèn)題和硬件問(wèn)題兩方面展開分析。

1.軟件問(wèn)題產(chǎn)生的誤差

采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等參數(shù)有關(guān)。流量測(cè)量系統(tǒng)未能嚴(yán)格按計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求配置相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表，流量計(jì)算時(shí)氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化未能得到完全補(bǔ)償，均會(huì)造成流量計(jì)準(zhǔn)確度下降，形成測(cè)量誤差。

而FloBoss103流量計(jì)算機(jī)計(jì)算軟件符合GB/T2624、SY/T6143、AGA3、AGA8標(biāo)準(zhǔn)，流量計(jì)算機(jī)符合 ISO/TR5168、GB13283及GB/T18603標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量是通過(guò)節(jié)流取差壓，引壓管高壓側(cè)做靜壓，軟件根據(jù)靜壓、差壓、溫度、氣體組份、孔板孔徑、管徑等參數(shù)計(jì)算流量計(jì)值。軟件中可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中有一個(gè)參數(shù)不準(zhǔn)確，都可以引起流量不準(zhǔn)確。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)ROCLINK800配置軟件檢查各參數(shù)的配置情況，設(shè)置值均與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的溫度、壓力、差壓及軟件中配置的管徑、孔徑等參數(shù)然后根據(jù)國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)AGA8氣體壓縮因子計(jì)算方式運(yùn)算出的流量與流量計(jì)測(cè)量值基本吻合。但是，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際差壓值與孔板差壓量程的對(duì)比，實(shí)際流量值與流量量程的對(duì)比分析，部分流量計(jì)的差壓、流量的實(shí)際運(yùn)行值偏低，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的準(zhǔn)確度與可靠度大大降低。

2.硬件問(wèn)題產(chǎn)生的計(jì)量數(shù)據(jù)誤差

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)孔板流量計(jì)的使用情況，孔板流量計(jì)會(huì)因?yàn)榭装濉⑽彘y組、導(dǎo)壓管路等硬件問(wèn)題出現(xiàn)異常導(dǎo)致流量測(cè)量不準(zhǔn)確。

（1）孔板

在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)孔板由于受天然氣的沖蝕或機(jī)械磨損而產(chǎn)生劃傷、變形，孔板的光潔度下降，入口的尖銳程度變圓，使其圓弧半徑不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，引起計(jì)量數(shù)據(jù)比實(shí)際流量偏低。另外孔板厚度誤差，孔板產(chǎn)生臺(tái)階、偏心，管道粗糙度影響變化，導(dǎo)板周圍出現(xiàn)腐蝕、碳化，沉淀贓物較多等因素均會(huì)嚴(yán)重影響流量計(jì)量。

（2）五閥組

五閥組中的平衡閥關(guān)不嚴(yán)或內(nèi)漏，有少量的泄漏致使氣體在引壓管中流動(dòng)，從而使進(jìn)變送器的差壓信號(hào)變小導(dǎo)致儀表輸出偏低。另外，由于普光氣田的介質(zhì)特殊性，在五閥組內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕、硫沉積等因素也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確。

（3）儀表引壓管路

儀表引壓管堵塞，引起流量計(jì)儀表輸出變化緩慢，甚至不變。在實(shí)際氣體計(jì)量中天然氣內(nèi)含有固體懸浮顆?；蚍勰瑫r(shí)間久了，有的還會(huì)固化，引起引壓管堵塞，使無(wú)法正常測(cè)量。特別是在集氣站場(chǎng)表現(xiàn)比較突出，這是由于這部分計(jì)量的是濕氣，并且氣質(zhì)不潔凈。

結(jié)論與建議

由于普光氣田氣質(zhì)的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)使用條件也比較惡劣，孔板流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用中還存在不少問(wèn)題，節(jié)流裝置與五閥組及其引壓管線是引起計(jì)量不準(zhǔn)確的主要原因。為實(shí)現(xiàn)普光氣田孔板流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量、減少誤差，首先要加強(qiáng)管理，提高人員認(rèn)識(shí)，做好日常維護(hù)保養(yǎng)工作。

1.定期對(duì)孔板進(jìn)行檢查、清洗，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)更換；

2.定期對(duì)差壓變送器進(jìn)行回零檢查，發(fā)現(xiàn)有異?；虺钋闆r，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，到期檢定。

3.定期對(duì)五閥組集氣引壓管線進(jìn)行排污驗(yàn)漏檢查，冬季氣溫下降，特別是普光氣田，易發(fā)生凍堵和硫沉積，需增加排污次數(shù)。