天然氣輸氣末站計(jì)量系統(tǒng)誤差分析及措施

呂澤鋒 庹浩 解魯平 莫小偉 曲良勇

1中油遼河工程有限公司

2塔里木油田分公司

隨著管輸天然氣在南疆各縣市的逐漸普及，各地區(qū)城鎮(zhèn)燃?xì)鈱?shí)際使用量與工程建設(shè)設(shè)計(jì)存在一定差異，導(dǎo)致部分輸氣末站貿(mào)易交接計(jì)量設(shè)施與實(shí)際使用氣量不匹配，給天然氣貿(mào)易結(jié)算帶來一定程度的困難，天然氣貿(mào)易交接計(jì)量爭議時(shí)常發(fā)生[1-2]。

南疆天然氣管網(wǎng)輸氣末站站內(nèi)設(shè)施包括進(jìn)站分離器、調(diào)壓橇、計(jì)量橇、進(jìn)出站緊急切斷、放空及輔助設(shè)施等。調(diào)壓和計(jì)量都采用一用一備運(yùn)行方式。計(jì)量橇流量計(jì)根據(jù)輸量不同選用超聲波流量計(jì)或旋進(jìn)旋渦流量計(jì)。超聲波流量計(jì)配套盤裝式流量計(jì)算機(jī)，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)自帶流量計(jì)算表頭并自帶溫壓補(bǔ)償。調(diào)壓橇采用安全切斷閥+監(jiān)控調(diào)節(jié)閥+工作調(diào)節(jié)閥模式[3-4]。

1 計(jì)量系統(tǒng)存在問題

1.1 先調(diào)壓后計(jì)量導(dǎo)致壓力波動(dòng)

由于部分場站計(jì)量工藝是先調(diào)壓后計(jì)量，調(diào)壓閥引起的氣流壓力波動(dòng)造成流量計(jì)準(zhǔn)確度降低、測量范圍窄、易超量程運(yùn)行等問題，其計(jì)量工藝流程如圖1 所示。GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》第5.1.2.3 節(jié)規(guī)定：應(yīng)該注意避免脈動(dòng)流和振動(dòng)，同時(shí)第7.2.2.5 節(jié)也提出壓力脈動(dòng)、流速脈動(dòng)及振動(dòng)現(xiàn)象可能導(dǎo)致流量測量的較大誤差[5]。該標(biāo)準(zhǔn)兩次強(qiáng)調(diào)脈動(dòng)和振動(dòng)對(duì)流量計(jì)造成的影響，可見計(jì)量系統(tǒng)不平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)流量計(jì)準(zhǔn)確度影響很大。

1.2 設(shè)計(jì)輸氣量與實(shí)際用氣量嚴(yán)重偏離

部分輸氣末站實(shí)際用氣量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)輸氣量，導(dǎo)致計(jì)量系統(tǒng)不能連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)調(diào)壓回路工作時(shí)，由于下游用戶用氣量小于調(diào)壓橇的最小工作流量，導(dǎo)致調(diào)壓橇工作時(shí)天然氣充入下游管線。此時(shí)下游管線天然氣無法及時(shí)消耗導(dǎo)致管線壓力增加，當(dāng)壓力增加到調(diào)壓橇出口允許最大壓力時(shí)調(diào)壓橇自動(dòng)關(guān)閉。此時(shí)下游用戶繼續(xù)用氣使管線壓力下降，當(dāng)調(diào)壓橇出口壓力降到設(shè)定值時(shí)調(diào)壓橇啟動(dòng)，向下游管線充氣。由于調(diào)壓橇不斷開啟、關(guān)閉，引起的氣流波動(dòng)造成流量計(jì)經(jīng)常超量程運(yùn)行或低于下限運(yùn)行。這兩種運(yùn)行方式都會(huì)嚴(yán)重影響流量計(jì)的準(zhǔn)確度，導(dǎo)致輸差增大，供氣方經(jīng)濟(jì)效益下降。

圖1 典型的計(jì)量系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Flow diagram of typical metering system

1.3 下游用戶復(fù)雜導(dǎo)致用氣量波動(dòng)大

部分站場除給城鎮(zhèn)居民供氣外，還給CNG 加氣站供氣。由于城鎮(zhèn)燃?xì)庥脷饬侩S季節(jié)、早中晚用氣時(shí)段變化很大，CNG 加氣站壓縮機(jī)啟停又有很大的不確定性，這就導(dǎo)致管網(wǎng)用量高峰低谷流量比增大，最大可達(dá)50∶1。該比值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過量程比最大的流量計(jì)所能計(jì)量到的量程范圍。

2 誤差分析及對(duì)策

2.1 工況波動(dòng)對(duì)流量計(jì)準(zhǔn)確度影響分析

南疆天然氣管網(wǎng)交接計(jì)量流量計(jì)有氣體超聲波流量計(jì)和智能旋進(jìn)流量計(jì)。氣體超聲波流量計(jì)用于DN100 mm 及以上管線天然氣計(jì)量，智能旋進(jìn)流量計(jì)用于DN100 mm 以下管線天然氣計(jì)量。這兩種流量計(jì)均為速度式儀表，通過誤差分析研究工況變化對(duì)流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響。

2.1.1 流體狀態(tài)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的影響

管道內(nèi)氣體流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)一般可分為層流、湍流和層流湍流過渡狀態(tài)三種狀態(tài)。層流是指流體有序的直線運(yùn)動(dòng)，它們之間不相互混合，如果混合就是湍流(紊流)。雷諾數(shù)大小是判斷流體狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，雷諾數(shù)小表明黏性力大，在一定程度上流體顆粒表現(xiàn)為層流，反之則表現(xiàn)為湍流。當(dāng)雷諾數(shù)Re≤2 320 時(shí)，管內(nèi)流體流動(dòng)為層流；Re＞13 800時(shí)，流體流動(dòng)為湍流；當(dāng)2 320＜Re≤13 800 時(shí)，流動(dòng)處于不穩(wěn)定過渡狀態(tài)。

流量測量值在不同的流體狀態(tài)下修正過程中存在差異，因?yàn)榱魉俚姆植荚诓煌牧鲃?dòng)狀態(tài)下是不同的[6]。由圖2 可以看出，在黏性作用下，流體在管道截面方向的速度是不均勻的，通常呈梯度分布狀態(tài)。管道壁面附近的速度最小，趨于0；管道中軸線處的速度最高。當(dāng)氣體在管道中軸線方向的任意位置的速度分布近似相同時(shí)，則認(rèn)為氣體流動(dòng)為穩(wěn)定狀態(tài)，即湍流狀態(tài)。此時(shí)由于速度分布相對(duì)均勻，測量系統(tǒng)誤差也會(huì)減小。當(dāng)流體為層流時(shí)，管道內(nèi)流體的速度分布變化較大，計(jì)算平均流速困難，產(chǎn)生的誤差也會(huì)增大。

計(jì)量系統(tǒng)誤差公式為

式中：E為相對(duì)誤差；QL為流量計(jì)測量流量；Qm為管道內(nèi)實(shí)際流量。

圖2 管道中流體狀態(tài)Fig.2 Fluid state in pipeline

對(duì)于速度式流量計(jì)而言，計(jì)量系統(tǒng)相對(duì)誤差表示為

式中：vm為介質(zhì)實(shí)際平均流速；vL為儀表測得的介質(zhì)平均流速。

圖3 為不同雷諾數(shù)下的計(jì)量系統(tǒng)相對(duì)誤差[6]，從圖3 可以得到同一種介質(zhì)不同流速（雷諾數(shù)）下相對(duì)誤差變化趨勢。一般情況下，雷諾數(shù)越大，介質(zhì)流態(tài)趨于湍流，流量計(jì)測量值越接近實(shí)際值，即相對(duì)誤差趨于零。

圖3 不同雷諾數(shù)下系統(tǒng)誤差隨直管段變化的趨勢Fig.3 Variation trends of system errors under different Reynolds numbers

2.1.2 調(diào)壓后計(jì)量對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的影響

超聲波流量計(jì)的工作原理是使用一對(duì)超聲波換能器交替（或同時(shí)）發(fā)送和接收超聲波，利用流體帶動(dòng)聲波的偏移時(shí)間來測量介質(zhì)流速。流速計(jì)算公式為

式中：D為流量計(jì)的內(nèi)徑；θ為換能器與流量計(jì)軸線的夾角；c為聲速；Δt為傳播時(shí)間。

超聲波換能器傳播的聲音頻率一般在130 kHz（不同廠家有所不同）。根據(jù)流速等工況變化，調(diào)壓橇中調(diào)節(jié)閥調(diào)壓產(chǎn)生的噪聲在16～130 kHz 左右。當(dāng)達(dá)到一定工況時(shí)，超聲波換能器的工作頻率會(huì)與介質(zhì)的波動(dòng)頻率重合，超聲波流量計(jì)換能器難以區(qū)別甚至無法區(qū)分這兩種信號(hào)，嚴(yán)重影響超聲波流量計(jì)的性能、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，甚至使流量計(jì)無法工作[7]。試驗(yàn)研究表明，高頻噪聲可使超聲波計(jì)量的誤差高達(dá)2%[8]。對(duì)于天然氣貿(mào)易交接計(jì)量，計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)輸量不同，最大不能超過3%。這樣計(jì)量系統(tǒng)本身誤差再加上高頻噪聲產(chǎn)生的誤差會(huì)使計(jì)量系統(tǒng)實(shí)際誤差超過規(guī)范要求，因此要提高計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度，必須盡量避免調(diào)節(jié)閥高頻噪聲影響。

2.1.3 壓力波動(dòng)對(duì)智能旋進(jìn)流量計(jì)的影響

圖4 為旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)流體通過旋渦發(fā)生器后，流體被迫繞著發(fā)生器劇烈旋轉(zhuǎn)，形成旋渦。旋渦的頻率與體積流量成正比。檢測元件測得旋渦進(jìn)動(dòng)頻率，通過公式（4）計(jì)算就可得到流量值，而且所測流量值能在較寬的范圍內(nèi)獲得良好的線性度[9]。

圖4 智能旋進(jìn)流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of intelligent rotary flowmeter

流量計(jì)算公式為

式中：qv為體積流量；f為旋渦頻率；K為流量儀表系數(shù)[10]。

通過圖4 和公式（4）可以看出，智能旋進(jìn)流量計(jì)是通過檢測旋渦發(fā)生體產(chǎn)生旋渦頻率計(jì)算氣體流量的，因此要保證計(jì)量準(zhǔn)確度，首先要保證流量波動(dòng)緩慢，且通過流量計(jì)流體形成紊流。因?yàn)楫?dāng)流量變化時(shí)，渦流發(fā)生體產(chǎn)生的旋渦頻率會(huì)動(dòng)態(tài)變化，只有在新流體狀態(tài)相對(duì)平衡時(shí)，流量計(jì)量才能準(zhǔn)確。即保證直管段，先計(jì)量后調(diào)壓或增加調(diào)節(jié)閥與流量計(jì)之間的直管段長度；其次要降低干擾，包括管線外部振動(dòng)或閥門頻繁操作等設(shè)備的噪聲影響和電磁干擾。

圖5 改造后先計(jì)量后調(diào)壓流程示意圖Fig.5 Flow diagram of metering first and then pressure regulation after transformation

表1 為某輸氣末站調(diào)壓后計(jì)量8 日內(nèi)的流量統(tǒng)計(jì)。表2 為該輸氣末站改造為調(diào)壓前計(jì)量8 日內(nèi)的流量統(tǒng)計(jì)（在0 ℃、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積，下同），圖5 為改造后的計(jì)量工藝流程圖。

表1 調(diào)壓后計(jì)量日累積流量Tab.1 Daily cumulative metering flow after pressure regulation m3/d

表中比對(duì)值為下游用戶實(shí)際收費(fèi)平均用氣量，輸差計(jì)算方法為日平均氣量減比對(duì)值再除以比對(duì)值。通過對(duì)比表1 和表2 的數(shù)據(jù)計(jì)算可得，改造前輸差為10.7%，改造后輸差為2.17%，均為負(fù)輸差。與改造前相比，改造后計(jì)量流量有大幅度提高，該用氣量也與下游用戶實(shí)際收費(fèi)用氣量（比對(duì)值）相吻合。較改造前的工藝流程，輸差已由10.7%降到2.17%（流量計(jì)準(zhǔn)確度1.5%），天然氣輸差降低50%以上，該站輸氣效率和效益大大提高，商品率也有很大提高。

表2 調(diào)壓前計(jì)量日累積流量表Tab.2 Daily cumulative metering flow before pressure regulation m3/d

因此，對(duì)于速度式流量計(jì)，在進(jìn)行計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證管道中流體趨于紊流狀態(tài)且要盡量保持平穩(wěn)運(yùn)行，減小波動(dòng)。較為有效的方法是先計(jì)量后調(diào)壓或者增大流量計(jì)（計(jì)量橇）與調(diào)節(jié)閥（調(diào)壓橇）之間的距離，最大限度降低壓力波動(dòng)對(duì)計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度造成的影響。該方法適應(yīng)于所有速度式流量儀表。

2.2 調(diào)壓橇額定流量大于實(shí)際用氣量的改造措施

圖6 小流量計(jì)量工藝流程示意圖Fig.6 Flow diagram of small flow metering process

圖7 大小流量計(jì)自適應(yīng)開啟關(guān)閉流程示意圖Fig.7 Flow diagram of self-adaptive opening and closing for large and small flow meters

針對(duì)調(diào)壓橇能力偏大，導(dǎo)致計(jì)量系統(tǒng)不能連續(xù)運(yùn)行的問題對(duì)計(jì)量系統(tǒng)流程進(jìn)行了優(yōu)化。由于調(diào)壓橇建設(shè)投資較高，更換為小口徑調(diào)壓橇勢必會(huì)造成投資的浪費(fèi)而不經(jīng)濟(jì)，而且隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，南疆地區(qū)整體用氣量為上升趨勢，將來調(diào)壓橇口徑還需要增大。出于這些考慮，在原有計(jì)量流程基礎(chǔ)上增加1 路小口徑計(jì)量管路，對(duì)計(jì)量流程的優(yōu)化如圖6 所示。

為了解決原調(diào)壓橇額定流量過大問題，在新增計(jì)量管路上增加1 路小口徑調(diào)節(jié)閥，該調(diào)節(jié)閥的作用是限制通過該管路的流量。當(dāng)下游用氣量處于低谷階段，通過流程切換，利用新增小管徑管路計(jì)量小流量，并利用該管路調(diào)節(jié)閥限制流量，防止計(jì)量流程頻繁充氣及開關(guān)情況的發(fā)生。改造后可以保證最小工況1.2 m3/h 的天然氣流量連續(xù)計(jì)量。

2.3 供氣管線下游有CNG 站的改造措施

設(shè)置大小流量計(jì)自適應(yīng)開啟關(guān)閉流程解決輸氣站下游CNG 壓縮機(jī)不定期啟動(dòng)造成流量計(jì)超量程運(yùn)行問題，即在調(diào)壓橇出口匯管上安裝壓力變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)控管線壓力。工藝流程如圖7 所示。

當(dāng)CNG 壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于管線存氣量有所緩沖，管線壓力緩慢降低。當(dāng)壓力降至低限時(shí)，自動(dòng)聯(lián)鎖大口徑管線切斷閥開啟，此時(shí)大小口徑管路同時(shí)給下游供氣，避免CNG 壓縮機(jī)啟動(dòng)造成流量計(jì)超量程情況發(fā)生。當(dāng)CNG 壓縮機(jī)關(guān)停時(shí)，此時(shí)大、小口徑管線同時(shí)給下游供氣，供氣量大于用氣量，管線壓力上升。當(dāng)壓力上升到設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉大口徑管線切斷閥，此時(shí)只有小口徑流量計(jì)工作，可保證小氣量時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量。

3 結(jié)束語

針對(duì)南疆天然氣管網(wǎng)輸氣末站貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)存在的問題，分析了3 種常見問題產(chǎn)生原因及超聲波流量計(jì)、智能旋進(jìn)流量計(jì)的計(jì)量特性和準(zhǔn)確度影響因素，最后對(duì)影響計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度的3 種常見問題采取了針對(duì)性的整改方案。整改后的實(shí)際運(yùn)行效果表明，天然氣輸差降低50%以上，銷售商品率顯著提高。改造經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他調(diào)壓計(jì)量站減小輸差、提高輸氣效率有很大借鑒意義，對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有一定的指導(dǎo)作用。