在LNG 計量中影響質量流量計精度的因素分析

蔣軍，鞏莉，李文藝，魯龍興，何偉

(中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213)

0 引言

隨著環(huán)保意識的增強，目前國內都在大力進行鍋爐技術改造，并以液化天然氣為主要原料進行供給。但因為每噸天然氣的價格較高，所以用戶更在意的是燃油成本，從供需角度來看，精確計量是非常重要的。科里奧利質量流量計是一種對流經(jīng)橫斷面的液體流量進行計量的流量計，它能更加直觀地反映出液體的質量。其主要特點是：具有較高的精確度(通常為0.1%～0.2%的精確度，通常為0.1%的重現(xiàn)性)；可進行多形態(tài)介質的測量(抗腐蝕、抗污染、防爆、耐磨等問題都已被解決)，應用范圍廣泛；可進行多個參數(shù)的測量，除了對流量的測量外，也可以對介質的密度、溫度、體積流量等進行測量，實現(xiàn)一表多用；具有良好的穩(wěn)定性和較長的工作壽命；沒有移動部分，流動管中沒有阻礙，易于維修(液體通路中沒有流動阻力元件或移動部分)。但它也有缺陷：零點不穩(wěn)定，導致零點漂移，因此在對LNG 進行計量時，計量結果的準確性和誤差顯著增大；對于流量傳感器的安裝和固定有很高的要求，因為它很容易受到外部震動的影響，因此要避免震動對流道的沖擊；其價格更昂貴，且生產(chǎn)費用更高。所以，對影響質量流量計精度的因素進行深入研究，并對其進行控制，就顯得尤為重要。

1 LNG 計量中影響質量流量計精度的主要因素

1.1 液體內含有氣體的影響

當液體中含有大量氣體時，會對計量結果產(chǎn)生顯著的影響。在高壓下，氣泡在流過儀表時，由于撞擊而破碎，易引起儀表內壁的凹陷，從而對儀表造成損害，在使用時，極易引起儀表零點偏移，增加儀表的計量誤差[1]。試驗結果顯示，當氣泡含量為1%(容積)時，其計量精度可達1%～2%，而當氣泡含量為10%(容積)時，其計量精度可達15%～20%。液體中出現(xiàn)氣體的原因有：一是液體自身含氣，在工作狀態(tài)不平穩(wěn)時液體易把通過管道、設備高點的氣帶入到質量流量計中；二是一般站場都在進料口安裝了控制閥門，以實現(xiàn)對流量或壓力的調整，而在伯努利方程的基礎上可知，在閥門開啟角度過小時，閥門前、后壓力差異過大時，閥門后壓力降低，流量增加，容易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象；三是由于流量中的液體溫度過高，壓力過低，使液體中的蒸汽壓力小于介質中的飽和蒸汽壓，因而生成氣體。

1.2 安裝條件及工作環(huán)境影響

質量流量計的工作原理是液體在計量管道中流動，在管道中形成科里奧利力，從而達到計量目的，所以需要對安裝過程進行嚴格控制，確保在沒有應力的情況下進行安裝。但在安裝作業(yè)中，因為安裝引起的應力是不可避免的。

(1) 應力對質量流量計的影響。如果存在留置位置太大或太小、兩邊管道的接觸面太高或太低、在安裝時用力過猛，都會引起兩邊管道的拉力、擠力和剪力，這些都會引起質量流量計內部的振動管發(fā)生扭曲，進而引起流量計的零位漂移，從而影響計量精度。

(2)振動的影響。在質量流量計工作時，由于上游和下游管道的振動、或者其他流量計工作時的振動，使流量計的振動管接收到有余量的振動，就會影響流量計的計量精度。

(3)若質量流量計設置在與變壓器設備等較大干擾源距離較近的位置或在流量儀表的周圍安裝有電機、變壓器、發(fā)射器、高壓電纜等電磁裝置時，可能會受到磁場和RF 的干擾，進而引起計量信號的偏移，影響質量流量計的讀取，從而對流量儀表的計量產(chǎn)生不利影響。

因此，在進行質量流量計的安裝工作時，要對安裝位置進行合理選擇，要避開振動設備和強電磁場。

1.3 溫度因素的影響

從理論上講，介質溫度對質量流量計的影響是微乎其微的，但通過多項試驗可知，介質溫度會對計量精度產(chǎn)生較大的影響，可以從下面幾個角度來證明。(1) 計量原理。根據(jù)測量原理，在測量過程中，測量管道的彈性模量會隨溫度的變化而變化，在溫度發(fā)生改變時，測管內的硬度將發(fā)生改變，從而對計量的精度產(chǎn)生一定影響。(2)溫度對流量計零點產(chǎn)生的影響。如果溫度發(fā)生改變，則會由于量程的改變，導致量程的零點發(fā)生改變，從而產(chǎn)生量程偏差。以零點計量為例，如果是在-192～-100 ℃的極低溫度下進行，將對液化天然氣計量的準確性產(chǎn)生極大影響。在整個液化天然氣充填期間，每一單位流量是10～45 kg/min，相應的平均流量是25 kg/min，在這樣的工作環(huán)境中，零位漂移是0.1 kg/min。因此，質量流量計因為介質溫度因素導致的誤差是不能忽略的，為了確保計量的準確性，必須做好溫度補償，確保LNG 的計量準確性。

1.4 密封材料的影響

在低溫工況下，采用質量流量計必須保證密封，這是滿足液化天然氣計量的基本要求。首先，要確保質量流量計的外殼中沒有任何空氣殘留物，為此在實踐中，某些質量流量計采用了充氦的方法，以滿足以上工作需要。但隨著時間的推移，問題就會逐漸顯露，最終導致儀器的增益越來越低，直至失效。造成這一現(xiàn)象的根本原因是由于密封件本身的性質發(fā)生了變化，致使傳感設備中的介質發(fā)生泄漏，使外部氣體侵入，從而造成了質量流量計的失效。另外，在實際應用中，部分生產(chǎn)廠商從工藝設計方面著手，讓傳感器的密封口盡可能地遠離LNG 介質，或者從密封材料方面著手。總而言之，各個生產(chǎn)廠商都在努力尋求解決這一問題的最佳方法。

1.5 液體黏度的影響

在對油液進行流速計量時，液體黏度的不同將對計量結果產(chǎn)生直接影響。當液體具有高黏度時，其計量值有一定的偏差，但偏差的變化量很??；當液體黏度很低時，其計量值會出現(xiàn)負誤差，且偏差變化量很大。在相同的密度、流量、壓力、溫度下，當稠度增加時，液體以一定速度流入流量計，液體的動能將相應增加，由能量守恒定律可知，當管道經(jīng)過振動時，所引起的柯氏力將發(fā)生改變，進而對計量精度造成影響[2]。

1.6 工藝波動的影響

工藝波動對質量流量計精度影響顯著。工藝波動是指測量對象的容積流量、工作壓力、測量溫度、滿管狀態(tài)等參數(shù)無規(guī)律變化。對國內多地零散氣回收領域采取“零儲存”設計的橇裝LNG 裝置的調查發(fā)現(xiàn)，其回收的評價井放空天然氣具有井口壓力波幅大、原料穩(wěn)壓性能差、氣體流量變化快、過程溫度調整頻繁、液體非滿管時間長的特征，受儀表響應時間、小流量切除等因素影響，計量誤差超過15%。

2 LNG 計量中質量流量計準確度影響因素的校正方法

2.1 液體中含有氣體的解決辦法

排除液體自身含氣的辦法是在流量計前部加消氣器，從而保證流量計內的流體是純粹的液體。在國內，也有一些現(xiàn)場采用了調整閥體結構的方法，以解決在經(jīng)過閥體時所引起的空化問題。消除氣穴現(xiàn)象的辦法是在流量計后部形成比其飽和蒸汽壓更高的反壓，從而消除空泡。最小背壓設定的計算公式為：

式中：P為流量計所設定的最低背壓(Pa)；ΔP是在最大流量下，以Pa 為單位表示的流量計的前、后壓力差，從流量儀表的實際工作狀態(tài)來看，流經(jīng)儀表的壓力差值為40～50 kPa；Pc是石油產(chǎn)品的飽和蒸汽壓力，以Pa 為單位，按照GB 18352.6—2018，國Ⅵ乙醇汽油的蒸汽壓力應為7.5 kPa 以上，最高不超過15 kPa。當液體到達飽和狀態(tài)時，其溫度會發(fā)生改變，因此，在儀表周圍不能有高熱來源，并且要避開太陽直射。

2.2 計量過程中溫度效應的校正

溫度的改變將對計量管道的剛度和零點穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，進而影響計量的準確性。測管硬度會隨溫度的變化而變化，主要是因為測管材料隨溫度的增加而變得柔軟，導致偏移增大，流量測量值升高，從而影響由柯里奧利力引起的扭曲量。但是，流體管道的硬度是可以重復的，而且是可以修補的。在質量流量計中，通常在其傳感器中裝有RTD 溫度傳感器，用于測溫和補償。例如，艾默生流量計量裝置，其計量管道剛度對溫度的影響可以通過溫度系數(shù)T 進行校正，但由于溫度的改變對零點穩(wěn)定性的影響，將導致一個不能重復的附加誤差，這是因為感應器的材料和幾何形狀不平衡。傳感器的零點不穩(wěn)是指當介質溫度和調零溫度不符合時，其最大偏差值，表示為當介質溫度和調零溫度相差1 ℃時，其流量改變的百分數(shù)。當制程溫度和調零溫度相差較大時，會產(chǎn)生更大的偏差，所以為減少溫度對零點穩(wěn)定性的影響，可在過程中將儀器的溫度降至零。

2.3 消除機械振動對儀表精度造成的影響

首先，要盡可能地選擇無振動或遠離泵房、機組等振動來源的位置，盡量不要將兩個或更多的傳感器同時安裝在一條管線上，否則會由于檢測管的震動，導致多個質量流量計互相影響，造成不正常的震動，從而對儀器的工作造成不利影響[3]。當無法避免將多個傳感器串連到一根管線上時，要建議制造商將儀器諧振頻率的數(shù)值進行調整，或者將多個傳感器的安裝間距拉大，并單獨設置一個支架。當閥或泵靠近流程管道時，該管道必須有其自身的支持，而不能用傳感器或者流程管道的連接來支持。其次，設備的安裝要規(guī)范化。安裝時，將直管與支座直接相連，再將儀器接頭與管子相連，將直管截短，在無壓狀態(tài)下將儀器吊起；或用法蘭同軸的方式對齊加工管路，減小壓力，并用托架固定，以避免儀表在長管路上的搖晃。另外在儀器的兩個端部凸緣的外面，支撐件必須固定在管子上，若直接支承于該裝置，將會在某種程度上影響該裝置的自由振動，在這種情況下，由于振動引起的相位差異將對測量結果造成一定影響。尤其是對口徑較大的安培計，其振幅較大時，造成的影響也較大。當振幅很小時，可以采用增大阻尼系數(shù)的方法，利用275 通信機調節(jié)阻尼因素，通常設定在5～30 s 之間。

2.4 計量過程中壓力影響的校正

當過程中工藝壓力發(fā)生變化時，檢測管道的硬度也會發(fā)生變化。隨著介質壓強的增加，檢測管道質量會發(fā)生硬化，從而使振蕩管道的“繃緊”效應、“布爾登”效應等現(xiàn)象更加明顯，因此檢測管道的材質及結構將會對壓力產(chǎn)生較大的影響，且影響程度隨管道直徑的增大而增大。在測量過程中，工作壓力與校準壓力之間存在很大差異時，測量壓力會對測量結果產(chǎn)生很大的影響。當前，流量計校準站的校準壓力通常為0.45 MPa，而在安裝質量流量計之后，其工作壓力遠大于校準壓力。在測量壓力大于校準壓力的情況下，傳感器振蕩管內微小的剛性改變就會引起流速的負偏移，該負偏移的大小與振蕩管壁厚、直徑之比有關，比值較高時對其影響不大，比值較低時對其影響較大。當振動管壁厚與外直徑之比減小時，小直徑傳感器對振動管壁厚與外直徑之比的影響可忽略不計。

3 結語

綜上所述，控制液化天然氣的計量精度，對于保障供氣和用氣雙方的權益具有十分重要的作用。所以，要與目前所用的質量流量計相結合，從安裝、使用和維護著手，采取嚴格的控制手段，確保計量的準確性。同時，隨著國內LNG 工業(yè)的快速發(fā)展，研制出能夠長期、穩(wěn)定地用于LNG 計量的高性能流量計成為迫切需要，這也為今后從事該領域工作的科研工作者提供了新的研究方向。