高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

晁宏洲,黃明基，方林劍

中國石油塔里木油田分公司油氣運(yùn)銷部 （新疆 庫爾勒 841000）

國家石油天然氣大流量計(jì)量站塔里木檢定點(diǎn)是經(jīng)原國家質(zhì)檢總局批復(fù)，在中國石油塔里木油田建設(shè)的高壓天然氣流量檢定點(diǎn)，旨在完善和優(yōu)化國內(nèi)天然氣實(shí)流檢定站點(diǎn)布局，推進(jìn)中國石油天然氣計(jì)量檢定體系建設(shè)，滿足新疆南疆地區(qū)天然氣貿(mào)易交接流量計(jì)的檢定需求。塔里木檢定點(diǎn)工程毗鄰塔里木油田分公司輪南集氣總站，設(shè)計(jì)建立1套天然氣工作流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為10.0MPa；天然氣壓力為3.5～7.0 MPa；天然氣溫度為-5～30℃；工況檢定流量25～8 000 m3/h；系統(tǒng)流量測(cè)量擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.33%，k=2；被檢流量計(jì)準(zhǔn)確度不高于1.0級(jí)；被檢流量計(jì)口徑DN50～DN400；年檢定能力為200臺(tái)。在確保工程設(shè)計(jì)方案滿足基本功能的前提下，圍繞“高水平、高效率、高可靠性”優(yōu)化了多項(xiàng)性能保障措施和檢定參數(shù)穩(wěn)定措施。

1 設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

1.1 工藝優(yōu)化

1.1.1 低壓檢定流程

在施工圖設(shè)計(jì)階段，建設(shè)項(xiàng)目組對(duì)新疆南疆地區(qū)和周邊油氣田在用的天然氣流量計(jì)臺(tái)賬進(jìn)行了摸排和梳理，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，工作壓力低于4.0 MPa的流量計(jì)數(shù)量少且口徑小，因此將低壓檢定流程管徑由原設(shè)計(jì)的DN600優(yōu)化為DN300，流程上的ESD閥門、安全切斷閥、二級(jí)大壓差調(diào)節(jié)閥、外輸流量計(jì)等也相應(yīng)減小了規(guī)格。在滿足實(shí)際使用需求的情況下，減少了設(shè)備投資，也使調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)等工作在適宜的區(qū)間范圍[1]。利用了低壓回氣管網(wǎng)輪南—庫爾勒輸氣管道的閑置DN300預(yù)留頭，避免了原設(shè)計(jì)的DN600管道動(dòng)火連頭作業(yè)，降低了工程費(fèi)用，提高了施工安全性。

1.1.2 管容效應(yīng)

管容效應(yīng)是指在標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢表之間連接管段的沒有被測(cè)量到的體積。一般設(shè)計(jì)中，都把標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表之間管段中介質(zhì)的壓力和溫度等參數(shù)作為一個(gè)定常值對(duì)待，在數(shù)據(jù)采集與流量評(píng)價(jià)系統(tǒng)中不精確考慮其變化，但實(shí)際上管容效應(yīng)是有可能存在的[2]。比如，當(dāng)一個(gè)流量點(diǎn)檢定開始時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表之間連接管段中的壓力會(huì)是某個(gè)值p1，在該流量點(diǎn)檢定結(jié)束時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表之間連接管段中的壓力變?yōu)閜2，p2可能會(huì)小于p1。這意味著，標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表之間連接管段在檢定過程中損失了一定量的氣體體積。損失的體積被被檢表檢測(cè)到了，而標(biāo)準(zhǔn)表并未檢測(cè)到，這個(gè)被忽略掉的體積就引入了一個(gè)檢定誤差的分量。

為減小管容效應(yīng)帶來的誤差，保證量值準(zhǔn)確可靠，施工圖設(shè)計(jì)盡可能減小了工作標(biāo)準(zhǔn)裝置與檢定臺(tái)位系統(tǒng)之間的匯管體積[3]。并且根據(jù)管容效應(yīng)在小口徑流量計(jì)的小流量檢定中表現(xiàn)顯著的特點(diǎn)，對(duì)DN100流量標(biāo)準(zhǔn)裝置與DN50、DN80檢定臺(tái)位之間設(shè)置單獨(dú)的小容積匯管，將原設(shè)計(jì)的大匯管一分為二且相互連通，見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置與檢定臺(tái)位系統(tǒng)

1.1.3 檢定氣源

塔里木檢定點(diǎn)原設(shè)計(jì)的檢定氣源取自迪那—輪南輸氣管道。管道起點(diǎn)輸量1 600×104m3/d，中途輪臺(tái)供氣門站常年分輸150×104m3/d，供給庫爾勒地區(qū)250×104～470×104m3/d，夏季輸入檢定點(diǎn)的流量勉強(qiáng)達(dá)到8 000 m3/h,冬季用氣高峰期間，檢定流量則不能滿足設(shè)計(jì)上限。

2015年，塔里木油田分公司開始設(shè)計(jì)建設(shè)凝析氣輕烴深度回收工程，迪那氣田較富集的凝析氣計(jì)劃被用于深度回收液化氣、輕烴等中間產(chǎn)品。檢定點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目組及時(shí)提出將檢定氣源變更為克拉2氣田的外輸氣。氣源變更后，新的氣源屬于氣藏氣，物性更接近貿(mào)易交接氣質(zhì)，流量計(jì)檢定條件與實(shí)際使用條件趨向一致，而且氣量提高到約1 800×104～2 400×104m3/d，可保證檢定流量常年達(dá)到設(shè)計(jì)上限。

1.2 設(shè)備優(yōu)化

1.2.1 控制閥門

檢定點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目組在物資采購開始前，組織對(duì)國內(nèi)大型天然氣輸氣站場(chǎng)和天然氣實(shí)流檢定站點(diǎn)進(jìn)行了考察和調(diào)研，對(duì)控制閥門的結(jié)構(gòu)型式、控制原理、驅(qū)動(dòng)方式、使用效果等多方面進(jìn)行了對(duì)比分析。將原設(shè)計(jì)的“自驅(qū)式”安全切斷閥的驅(qū)動(dòng)方式擴(kuò)展為“自驅(qū)式或自力式”，且將閥門彈簧動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間小于等于2 s優(yōu)化到小于等于1 s，提高了閥門的安全性能，實(shí)現(xiàn)了超壓保護(hù)的最快速響應(yīng)。為避免冬季檢定氣源氣質(zhì)波動(dòng)帶來的節(jié)流處水合物生成，對(duì)用于壓力調(diào)節(jié)的控制閥門結(jié)構(gòu)型式由原設(shè)計(jì)的“軸流式”擴(kuò)展到“直通式或軸流式”，要求投標(biāo)商進(jìn)行嚴(yán)格的工藝計(jì)算，選取正確的閥門結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸，確保在檢定工藝條件下不生成天然氣水合物。控制閥門驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)型式的擴(kuò)展，不但保證了現(xiàn)場(chǎng)的安全使用，而且創(chuàng)造了更優(yōu)的招標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，節(jié)約了設(shè)備采購成本。此外，整體對(duì)用于壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)的控制閥門進(jìn)行了規(guī)格優(yōu)化，改變了控制方式，因而普遍減小了閥門規(guī)格。

1.2.2 安全閥門

因?yàn)閷?duì)低壓檢定流程進(jìn)行了優(yōu)化，工藝管路由DN600變更為DN300，流程上的ESD閥門相應(yīng)減小了規(guī)格，降低了采購成本。此外，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加了進(jìn)站管線、匯管等處的氣動(dòng)BDV閥，確保在著火、失電等極端狀況下閥門遠(yuǎn)程操作不失效，提升了檢定點(diǎn)的本質(zhì)安全水平。

1.2.3 工藝閥門

為保證檢定管路中介質(zhì)流態(tài)不對(duì)流量計(jì)造成影響，設(shè)計(jì)施工圖時(shí)將原來的核查標(biāo)準(zhǔn)裝置、工作標(biāo)準(zhǔn)裝置與檢定臺(tái)位系統(tǒng)前端的強(qiáng)制密封閥變更為全通徑的DBB球閥，確保了流量計(jì)的計(jì)量性能，也降低了采購成本。相反地，在一級(jí)大壓差、穩(wěn)壓、主流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)各路壓力、流量調(diào)節(jié)閥前增加了一道強(qiáng)制密封閥，確保不在使用狀態(tài)的調(diào)節(jié)回路嚴(yán)格密封，不因泄漏影響調(diào)節(jié)效果。

1.3 控制優(yōu)化

1.3.1 進(jìn)站旁通流量調(diào)節(jié)

施工圖設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)關(guān)注了進(jìn)站旁通流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。進(jìn)站旁通流量調(diào)節(jié)，不但關(guān)乎是否可以較為準(zhǔn)確地提供檢定氣量，而且關(guān)乎經(jīng)過檢定系統(tǒng)的高壓回氣是否可以順利返回到輸氣管道?？紤]到?jīng)]有真實(shí)流量檢測(cè)比較的流量控制是“無的放矢”，在高壓取氣和去檢定裝置的管路上增加了外夾式超聲流量計(jì)，將兩處流量檢測(cè)信號(hào)比較后控制旁通流量調(diào)節(jié)閥的開度，根據(jù)被檢流量計(jì)的規(guī)格為檢定系統(tǒng)提供適宜大小的氣量，見圖2。塔里木檢定點(diǎn)初期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，借助優(yōu)化后的進(jìn)站旁通流量調(diào)節(jié)，能夠快速粗略調(diào)整檢定流量。

1.3.2 檢定流量調(diào)節(jié)

優(yōu)化前的調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)按照嚴(yán)格的分程調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，每次調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)不同口徑的調(diào)節(jié)閥流通能力只選用一個(gè)閥門，同一閥組中并聯(lián)設(shè)置的其他閥門全部處于關(guān)閉狀態(tài)，同一閥組中并聯(lián)設(shè)置的各路調(diào)節(jié)閥流通能力稍有重疊。這種控制方式勢(shì)必導(dǎo)致在某些檢定流量點(diǎn)上，調(diào)節(jié)閥處于小開度或大開度兩種極端情況，不在調(diào)節(jié)閥性能較好的區(qū)段工作，小開度時(shí)可能會(huì)有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 進(jìn)站旁通流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

優(yōu)化后的調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)突破了嚴(yán)格的分程調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)思路，減小了各路調(diào)節(jié)閥的規(guī)格，在每次調(diào)節(jié)過程中，允許同時(shí)使用2路或3路并聯(lián)設(shè)置的閥門。這種使用多路閥門組合的控制方式，可使得投入使用的各路調(diào)節(jié)閥工作在性能優(yōu)良的開度區(qū)間，調(diào)節(jié)的精度會(huì)提高，調(diào)節(jié)后穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。

控制方式的優(yōu)化，相應(yīng)地帶來調(diào)節(jié)閥和閥門前后工藝配管規(guī)格的變化。塔里木檢定點(diǎn)調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)優(yōu)化前后的閥門規(guī)格對(duì)比見表1。

2 計(jì)量參數(shù)穩(wěn)定措施

2.1 檢定壓力穩(wěn)定

塔里木檢定點(diǎn)工作流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓力穩(wěn)定性得益于檢定氣源克拉—輪南輸氣管道的較大管容（6.5 MPa、約964×104m3），壓力的波動(dòng)被較大的管容吸收和消化，長輸管道介質(zhì)壓力的穩(wěn)定保證了檢定點(diǎn)站場(chǎng)工藝管道的壓力穩(wěn)定。此外，檢定點(diǎn)站場(chǎng)內(nèi)在過濾分離、穩(wěn)壓系統(tǒng)、大壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、核查與工作標(biāo)準(zhǔn)裝置、被檢流量計(jì)臺(tái)位、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的前、后都分別設(shè)計(jì)安裝了匯管。為了防止天然氣流經(jīng)匯管時(shí)產(chǎn)生擾流，要求匯管的主管和支管之間的連接處為圓滑過渡，采用熱拔工藝制造。匯管主管內(nèi)的流速不超過10 m/s，支管流速不超過20 m/s，支管直徑與主管直徑的比值應(yīng)滿足小于等于0.50，以較大的緩沖空間保證介質(zhì)的壓力不波動(dòng)，介質(zhì)的流態(tài)不受擾動(dòng)。

表1 調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)優(yōu)化前后的閥門規(guī)格對(duì)比表

2.2 檢定溫度穩(wěn)定

塔里木檢定點(diǎn)工作流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定氣源克拉—輪南輸氣管道全程埋深在凍土層以下，較恒定的地溫場(chǎng)，一定程度上保證了檢定介質(zhì)溫度的穩(wěn)定。為避免檢定點(diǎn)站場(chǎng)內(nèi)地面上的工藝設(shè)備和管道受環(huán)境條件影響、管道內(nèi)流動(dòng)的天然氣介質(zhì)受管道壁溫度的影響，對(duì)地面上的工藝設(shè)備和管道進(jìn)行保溫隔熱，具體措施為：對(duì)室內(nèi)、外地面上鋪設(shè)的工藝管道、匯管等設(shè)備均進(jìn)行保溫處理[4-5]，并用鋁合金薄板作外護(hù)層處理；把計(jì)量檢定工藝系統(tǒng)的核心部分（工作標(biāo)準(zhǔn)、核查標(biāo)準(zhǔn)、檢定臺(tái)位系統(tǒng)等）設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)檢定廠房?jī)?nèi)，避免受室外天氣的影響；把室外安裝的工藝管道和設(shè)備（進(jìn)出站閥組、過濾分離器、調(diào)壓和調(diào)流量系統(tǒng)等）設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)防曬棚內(nèi)，防止陽光直曬。

3 結(jié)論

1）對(duì)塔里木檢定點(diǎn)工程從確保裝置計(jì)量性能主旨出發(fā)，優(yōu)化了多項(xiàng)性能保障措施和檢定參數(shù)穩(wěn)定措施，確保了高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量性能，節(jié)約了建設(shè)成本。

2）塔里木檢定點(diǎn)工程在設(shè)計(jì)建設(shè)階段，從檢定流程、管容效應(yīng)、氣源變更3個(gè)方面進(jìn)行了工藝優(yōu)化；從控制閥門、安全閥門、工藝閥門3個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)備優(yōu)化；從進(jìn)站旁通流量調(diào)節(jié)、檢定流量調(diào)節(jié)2個(gè)方面進(jìn)行了控制優(yōu)化。各項(xiàng)優(yōu)化措施保障了高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量性能。

3）塔里木檢定點(diǎn)工程在設(shè)計(jì)建設(shè)階段，實(shí)施了檢定壓力、檢定溫度的計(jì)量參數(shù)穩(wěn)定措施，成為高性能天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的最基礎(chǔ)條件。

4）天然氣計(jì)量檢定站點(diǎn)的設(shè)計(jì)建設(shè)重點(diǎn)從天然氣流量測(cè)量技術(shù)上進(jìn)行突破，攻克流量標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量準(zhǔn)確度的瓶頸限制，降低對(duì)上下游管網(wǎng)的依賴，實(shí)現(xiàn)低能效、高效率運(yùn)行。塔里木檢定點(diǎn)的計(jì)量性能保障措施和檢定參數(shù)穩(wěn)定措施，為同類站點(diǎn)設(shè)計(jì)建設(shè)提供借鑒。