天然氣計量影響因素定量分析

馬應奎，蒲振東

1.中國檢驗認證集團新疆有限公司 （新疆 烏魯木齊 830011）

2.中國石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司（新疆 烏魯木齊 830011）

天然氣計量影響因素定量分析

馬應奎1，蒲振東2

1.中國檢驗認證集團新疆有限公司 （新疆 烏魯木齊 830011）

2.中國石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司（新疆 烏魯木齊 830011）

通過對標準參比條件下天然氣計量體積公式的分析，推導出壓力、溫度和組分3個因素的測量誤差對天然氣計量體積影響的數(shù)學模型。借助計算機程序計算壓縮因子，進而可得在工況下，壓力測量誤差為0.01MPa時，標準參比條件下天然氣體積計量誤差達到0.14%～0.15%；C6+組分測量誤差為0.01%時，標準參比條件下天然氣體積計量誤差為0.017%～0.020%；溫度測量誤差0.01℃時，標準參比條件下天然氣體積計量誤差為0.006%。壓力、組分和溫度測量誤差導致的標準參比條件下天然氣體積計量誤差數(shù)量級分別為10-3、10-4、10-5。建議實際工作中，應重視對壓力變送器的檢查，綜合每一路計量撬的誤差，在滿足安全運行的前提下，進行精細化管理，優(yōu)先選擇基于計量誤差最小化的運行參數(shù)。

超聲流量計；天然氣；流量積算儀；計量誤差

流量是天然氣生產集輸中重要的參數(shù)之一，流量測量值的準確與否，將直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和交接計量中雙方的經(jīng)濟利益[1]。氣體超聲波計量系統(tǒng)在天然氣計量交接中得到廣泛應用，其在高壓力、寬管徑、大流量天然氣計量中的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)，并得到計量交接雙方的認可[2]。超聲波流量計的工作原理是根據(jù)超聲波脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時間差來測量氣體流速，進而計算工況下的氣體流量[3]。

1 超聲波流量計流量測量的數(shù)學模型

依據(jù)AGA 8[4]、AGA 9[5]和AGA 10[6]號報告，標準參比條件下天然氣體積流量的計算公式見式（1）[7]。

式中：qn為標準參比條件下的瞬時體積流量，m3/h；qf為工作條件下的瞬時體積流量，m3/h；pn為標準參比條件下的絕對壓力，MPa；pf為工作條件下的絕對靜壓力，MPa；Tn為標準參比條件下的熱力學溫度，K；Tf為工作條件下的熱力學溫度，K；Zn為標準參比條件下的壓縮因子；Zf為工作條件下的壓縮因子。壓縮因子的計算采用擴展的維利方程[8]，見式（2）。

式中：B為第二維利系數(shù)；ρm為摩爾密度（單位體積的摩爾數(shù)）；ρr為對比密度為常數(shù)；為溫度和組成函數(shù)的系數(shù)。

由式（1）可知，影響計量結果的因素有工況下流量計讀數(shù)、壓力、溫度和壓縮因子。影響流量計讀數(shù)準確性的因素包括流量計本身的誤差和流量積算儀的誤差兩方面，壓力的影響來自壓力變送器的誤差，壓力變送器對溫度變化敏感，在現(xiàn)場應用中常出現(xiàn)零點漂移的現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的計量準確度。溫度變送器的測量一般較穩(wěn)定，但在現(xiàn)場應用中也常出現(xiàn)因其保護套管中存在金屬屑、沙子等雜質，致使測溫元件無法及時與天然氣達到熱平衡的現(xiàn)象，導致溫度顯示值較天然氣實際溫度值偏低。壓縮因子是和壓力、溫度以及組分均相關的一個函數(shù)，在一般的輸氣條件下，天然氣的壓縮因子是隨重組分含量的增加而減小，隨壓力的增加而減小，而隨溫度的增加而增大[9]。管輸氣體的組分變化會對超聲波流量計計量的準確度造成影響由于流量計和流量積算儀的誤差在一定時期內是設備固有的，因此可用復合函數(shù)（3）表示標準參比條件下的計量體積和壓力、溫度及組分的函數(shù)關系：

壓力、溫度和組分各變量對計量結果的影響因子可以用求導的辦法求出，分別對壓力、溫度和組分求偏導數(shù)，數(shù)學表達式如式（4）～（6）。

由于壓縮因子Z的維利方程比較復雜，Z對壓力、溫度和組分的求導涉及比較復雜的數(shù)學計算，想求出標準參比條件下的計量體積對壓力、溫度和組分的導數(shù)不是一件容易的事。為了避開維利方程的復雜計算，可以借助計算機程序，計算出相應Z值，根據(jù)導數(shù)的數(shù)學定義，進行手工計算。

2 試驗設計和數(shù)據(jù)計算

每個氣田所產天然氣組分及其配套前處理工藝相對固定，對應計量站的天然氣的組分、壓力和溫度等工況參數(shù)也會相對穩(wěn)定在一定的區(qū)間內。某天然氣計量站長期運行參數(shù)的典型值如下：壓力7.85MPa，計量溫度夏季25.50℃、冬季15.50℃，天然氣組分如表1所示，使用的標準參比條件為101.325kPa，20℃（293.15K）[10]。

表1 某計量站天然氣組分典型值

流量計工況下計量體積為1，根據(jù)式（1）分別計算當壓力誤差為0.01MPa，溫度誤差為0.01℃和組分C6+誤差為0.01%時，標準參比條件下qn的變化率。

2.1 壓力測量誤差對計量結果的影響

在溫度和組分不變的情況下，壓力測量誤差Δp導致標準參比條件下計量體積發(fā)生變化，變化率θ可用式（7）計算：

如表1組分，在計量溫度分別為15.50℃和25.50℃，Δp為0.01MPa時，式（7）的計算結果見表2。

從表2的計算結果可知，在計量溫度15.50℃，壓力為7.85MPa時，當壓力誤差為0.01MPa，對最終標準參比條件下計量體積的影響為0.147%；計量溫度25.50℃時為0.143%。

2.2 溫度測量誤差對計量結果的影響

在壓力和組分不變的情況下，溫度測量誤差△T導致標準參比條件下計量體積發(fā)生變化，變化率φ可用式（8）計算：

如表1組分，在壓力為7.85MPa，ΔT為0.01℃時，計量溫度為15.50℃和25.50℃，式（8）的計算結果如表3所示。

從表3的計算結果可知，在壓力為7.85MPa，計量溫度為15.5℃，溫度誤差為0.01℃時，對最終標準參比條件下計量體積的影響為-0.006 1%；計量溫度為25.50℃時其影響為-0.005 4%。

表2 不同計量溫度下壓力測量誤差對標準參比條件下計量體積的影響

表3 不同計量溫度下溫變化對標準參比條件下計量體積的影響

2.3 天然氣組分檢測誤差對計量結果的影響

當壓力和溫度不變，組分xi檢測誤差Δx導致標準參比條件下計量體積的變化率ω可用式（9）計算：如表1組分，在壓力為7.85MPa，計量溫度分別為15.50℃和25.50℃，組分C6+檢測誤差為0.01%時，式（9）的計算結果見表4（根據(jù)實際經(jīng)驗，組分檢測的誤差可能常來源于對C6+組分的積分問題）。

從表4的計算結果可得，在壓力為7.85MPa、溫度為15.50℃時，C6+組分檢測誤差0.01%，對最終標準參比條件下計量體積的影響為-0.020%；溫度為25.50℃時影響為-0.017%。

2.4 流量計讀數(shù)誤差對計量結果的影響

流量計讀數(shù)的誤差主要來源于超聲流量計的誤差和流量積算儀的誤差，流量積算儀的誤差可以直接根據(jù)檢定/校準證書獲得其示值誤差。超聲流量計可以根據(jù)檢定/校準證書提供的流量計系數(shù)進行修正，根據(jù)JJG 1030-2007超聲流量計檢定規(guī)程[11]的規(guī)定，獲得流量計的最大允許誤差。流量計使用過程中按照國家標準GB/T 30500-2014[12]的規(guī)定進行聲速核查，通過監(jiān)測流量計每一聲道信號的增益值、接收信號的百分比、信噪比標，測量每個聲道的聲速值、剖面系數(shù)、對稱性等參數(shù)，依據(jù)這些信號參數(shù)，能夠判斷出流量計的工作狀態(tài)，對使用過程中超聲流量計進行檢驗[13]?？梢岳眠h程診斷系統(tǒng)實現(xiàn)流量計聲速核查等自診斷功能[14]。

表4 不同計量溫度下組分C6+檢測誤差對標準參比條件下計量體積的影響

2.5 綜合誤差

根據(jù)前述計算可知，對標準參比條件下的計量體積影響最大的因素是壓力，其次是組分和溫度，當出現(xiàn)0.01單位誤差時，導致標準參比條件下計量體積誤差的數(shù)量級分別為10-3、10-4、10-5。在線氣相色譜儀目前一般是獨立于各路計量撬單獨安裝，其誤差對各路計量撬的影響是相同的。對各路計量撬的壓力變送器、溫度變送器、流量計和流量積算儀等計量相關設備的檢定/校準證書的修正/校準值進行匯總統(tǒng)計，結合各設備對標準參比條件下的計量體積的影響，可以計算出每一路計量撬的綜合計量誤差。某計量站其中3路計量撬的壓力變送器、溫度變送器、流量計和流量積算儀的校準證書提供修正/校準值已知，在壓力為7.85MPa，計量溫度為25.50℃時各路計量撬的綜合誤差見表5。

表5 某計量站各計量撬的綜合誤差

各路計量撬的壓變、溫變和流量積算儀的修正和校準值各有正負，經(jīng)綜合計算后可得，第3路計量撬的綜合誤差最小。應優(yōu)先選擇運行第3路計量撬，或把更多的計量任務分配給第3路計量撬。由表5可知，綜合誤差的大小順序與壓力變送器的誤差大小順序完全相同，驗證了壓力是影響標準參比條件下計量體積誤差的最主要因素。該計量站每路計量撬每日計量天然氣8 500kN·m3，一年運行360天計，計量溫度為25.50℃時各路計量撬全年的計量誤差分別為2 457.2、-3 534.3和-586.7kN·m3。在流量計工況示值相同的情況下，第1路和第2路計量撬的標準參比條件下的計量體積差達到5 991.5kN·m3。

3 結論

通過計算可知，在影響天然氣計量準確性的壓力、溫度、組分、流量積算儀等因素中，在題設參數(shù)下，當出現(xiàn)0.01單位誤差時，壓力、組分和溫度導致的標準參比條件下計量體積誤差的數(shù)量級分別為10-3、10-4、10-5。壓力對計量準確度的影響是最大的，達到0.14%～0.15%；C6+組分次之，為0.017%～0.020%；流量積算儀的誤差一般在0.01%左右；溫度影響最小，為0.006%。因此在實際工作中，應重視對壓力變送器的檢查，必要時更換修正值更小的壓力變送器。組分檢測時應關注C6+組分的積分問題，對于雙氣源供氣的管道，應盡量減小氣質差異，減小雙氣源氣質組分差異對超聲波流量計影響。在滿足安全運行的前提下，綜合計算每一路計量撬的計量誤差，進行精細化管理，優(yōu)先選擇基于計量誤差最小化的運行參數(shù)。

[1]溫懷海.超聲波流量計在大管徑天然氣計量中的應用[J].石油規(guī)劃設計,2013,14(6):20-21.

[2]蔣 輝,林媛媛,曹斯亮.天然氣超聲波計量系統(tǒng)性能的影響因素[J].油氣儲運,2012,31(1):53-56.

[3]王敬章,劉廷富,聶靖霜,等.多聲道超聲波流量計在中-土天然氣項目貿易計量中的應用[J].天然氣工業(yè),2010,30(5): 1-3.

[4]Compressibility Factor of Natural Gas and Related Hydrocar?bon Gases:AGA Report No.8[S].Washington:American Gas Association,2003.

[5]Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters:AGA Report No.9[S].Washington:American Gas Association,2007.

[6]Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocar?bon Gases:AGA Report No.10[S].Washington:American Gas Association,2002.

[7]全國石油天然氣標準化技術委員會.用氣體超聲流量計測量天然氣流量:GB/T 18604-2014[S].北京:中國標準出版社,2014.

[8]全國天然氣標準化技術委員會.天然氣壓縮因子的計算第2部分:用摩爾組成進行計算:GB/T 17747.2-2011[S].北京:中國標準出版社,2012.

[9]丘逢春,張福元,賴忠澤.天然氣壓縮因子對流量計量的影響[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,1997,13(11):26-29.

[10]全國天然氣標準化技術委員會.天然氣標準參比條件: GB/T 19205-2008[S].北京:中國標準出版社,2009.

[11]全國流量容量計量技術委員會.超聲流量計檢定規(guī)程: JJG 1030-2007[S].北京:中國標準出版社,2007.

[12]全國石油天然氣標準化技術委員會.氣體超生流量計使用中檢驗聲速檢驗法:GB/T 30500-2014[S].北京:中國標準出版社,2014.

[13]陳 立,肖 迪.氣體超聲流量計的現(xiàn)場核查[J].油氣田地面工程,2015,34(1):50-51.

[14]吳兆鵬,鄧東花,柯 琳,等.氣體超聲流量計遠程診斷功能在中亞管道的應用[J].油氣儲運,2013,32(4):448-453.

The mathematical model of the natural gas volume measurement error caused by the measurement errors of pressure,tempera?ture and composition is deduced through the analysis of the natural gas volume measurement formula under the standard reference condi?tions.Compression factor is calculated by means of computer program,and then it is obtained that under the given work conditions and the standard reference conditions,the natural gas volume measurement error is 0.14%～0.15%when pressure measurement error is 0.01 MPa;the natural gas volume measurement error is 0.017%～0.020%when the measurement error of component C6+is 0.01%;the natural gas volume measurement error is 0.006%when temperature measurement error is 0.01℃.It is suggested that in practical work we should pay attention to the inspection of pressure transmitter,integrate each measurement skid error,implement fine management and select operation parameters according to the principle of measurement error minimization under the premise of safe operation.

ultrasonic flowmeter;natural gas;flow totalizer;measurement error

??學敏

2016-07-19

馬應奎（1976-），男，工程師，主要從事石油及天然氣計量和檢測管理工作。