天然气计量误差分析及改进措施

摘要：天然气计量现在仍以差压式流量计中的孔板计量计为主。在实际生产中，由于影响差压式流量计测量误差的原因非常复杂多变，往往导致其不能满足测量精度要求，因此，找出影响其计量误差和提出改进措施对现实生产活动有着重要的意义。本文从计量仪表误差、使用条件变化误差和其它因素引起误差3个方面分析了引起计量误差的主要因素，并提出了六方面的改进措施，最后对现在的计量工作提出了建议，展望了未来孔板流量计的发展方向。
 关键词：天然气计量  孔板计量  误差分析  改进措施 
1引言
 我国天然气流量计量以差压式孔板流量计为主，它由节流装置、导压管路系统、差压计组成，具有结构简单、制造容易,安装、使用和维护方便,可靠性高等特点。一般正常情况下，其测量精度能满足（GB/T2624-93流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量（替代GB2624-81））和石油部SYL04-83（天然气流量测量的标准孔板计量方法，升级为SY/T6143－1996）标准的要求，但在实际工作中，由于计量仪表误差(节流装置的设计、制造、安装和使用条件不符合ISO5167-1（用差压装置测量流体流量标准）的要求,或者仪表选择不当) 以及使用条件变化带来的误差(较长时间内,流量的变化超出了所选仪表的测量范围,或者脉动流的产生),往往使孔板流量计的精度不能优于±1.5%。因此，找出引起误差的因素，提出改进措施对于提高天然气计量精度有着重大意义[1]。
2引起误差的主要因素
2.1计量仪表误差
 采用孔板流量计，对孔板加工的技术要求十分严格，必须符合GB2624-81或SY/T6143-2003（用标准孔板流量计测量天然气流量）标准中的规定，否则，会给天然气流量测量结果带来很大的误差。孔板的偏心和弯曲是孔板的制造安装和使用中影响计量仪表精度的主要因素。
 （1）孔板安装
 尽管安装规范一般都能够掌握, 但有些细节往往没有引起重视, 导致较大的计量误差。如: 密封垫片内孔未按环室尺寸加工,垫片伸出环室,干扰流体稳定流动;导压管走向不合理,差压无法顺利传导;平衡器不水平,直接产生计量误差等[2]。
 （2）孔板偏心和β的不确定度
 根据标准的要求,孔板应与节流装置中的直管段对中。一般说来,孔径比β值越高,偏心率对测量
精度影响越大,另外根据SY/T6143-2003中的体积流量不确定度公式为：
   （1）
--流出系数的不确定度
--可膨胀系数的不确定度
--测量管内径的不确定度，其值±0.4%
--孔板开孔直径的不确定度，其值±0.07%
--差压测量的不确定度，其值±0.4%
--天然气流动热力学温度的不确定度
--天然气流动时上游侧的绝对压力测量不确定度
--天然气相对密度测量的不确定度，其值±0.5%
--天然气压缩因子测量的不确定度，其值±0.5%
--孔径比，
 从公式（1）可以计算得出β与流量不确定度的关系：流量不确定度基本随着β增减而增减, 当β小于0.6 时,不确定度的变化很小,基本为一条直线;随着β的增大,不确定度迅速增大,当β=0.75 时,不确定度达到最大。因此应避免采用孔径比大的孔板[3]。
 从公式（1）还可以看出,天然气的压力、密度、温度和压缩系数的变化将直接影响到测量的精度。特别是密度影响较大，从流量计算公式而言，如果将相对密度参数作为一个独立量看待，那么天然气相对密度的不确定度为±0.5%，从而引起天然气流量不确定度为±0.25%，因此，相对密度对天然气流量测量不确定度的大小是一项至关重要的参数[4]。
（3）孔板弯曲由于孔板的安装和维修不当,孔板会发生弯曲或变形,从而导致流量测量误差较大。有关实验表
明，孔板弯曲造成的最大误差为3.5%[5]。   
 （4）节流装置的突出物
节流装置中伸入管内的垫片、焊缝等也会引起测量误差，误差大小与突出物位置、孔板与突出物的距离以及突出等有关。有关实验表明，当β=0.7，突出物位于孔板上游管径2倍时，产生误差最大；若突出物位于上游孔板处，误差为16%-50%。若位于下游，则对计量精度的影响相对较小[5]。（注--孔径比，）
2.2使用条件变化引起的误差
 这种误差主要是由脉动流现象和超量程、流程频繁波动问题引起的。管道中气体流速和压力发生突然变化，造成脉动流，引起差压波动，当节流装置上出现明显的脉动流时，计量可能产生较大误差，有关文献指出脉动流引起的误差最大可达20%-30%。当前，输气干线脉动主要来源：
 （1）天然气气井为气水同产，这些井的计量差压均发生波动；
 （2）长输管道或气田管道积液造成差压波动；
 （3）气井之间的压力干扰造成差压波动；
 （4）由于小用户用气不均衡，气量瞬间发生急剧变化，供气阀突开或突关都会导致差压波动。
 超量程问题大多数是由于季节不同, 用量发生变化引起的,特别是蒸气计量,冬天时流量大,夏天时流量小,有可能超过所选仪表的量程，从而引起误差。同时，城市用气而无调峰设施的计量装置，当流量随时间频繁波动时，将会直接影响对天然气计量的准确度[2]5][6]。
2.3气质条件引起的误差
 （1）天然气中的杂质
 天然气从地层中采出来,虽然经过分离、除尘或过滤,但由于处理不彻底或集气管网和输气干线内腐蚀物的影响,使得天然气中混有少量的液体或固体杂质,这些杂质易聚集在孔板截面收缩、流速突变的孔口锐边上,而孔板流量计对孔板锐边、截面及流线的变化非常的敏感。此外,天然气中的杂质还会对孔板产生冲刷和腐蚀,特别是对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲刷腐蚀特别严重,这将影响到孔板直角入口边缘圆弧半径和测量管内壁相对粗糙的规定标准,孔板流出系数也将发生变化,使测量精度达不到要求[6]。
 （2）天然气的含水量
 天然气的含水量也对天然气计量精度有着很大的影响。美国雪佛龙公司和科罗拉多工程实验站用注水后的孔板流量计进行计量得到了: ①用孔板流量计测量气体流量,当气体中夹带少量液体时,流量测量不确定度偏高,测量的湿气流量随β的增加而减少,在β比为0.7 时,测得的流量偏差为- 1.7%; ②当夹带少量液体时,在β比为0.5 时表明孔板性能较好,但是应将夹带液体在孔板上游脱出,以获得最佳的计量性能; ③用旧的孔板流量计测量湿气,流量计量值将降低3%[3]。
2.4其它引起的误差
 管道泄露、人为破坏、管理不严、不合理的积算和取值方法、计量工况偏离标准规定条件。积算方法本身不合理，对温度、压力、气体组成的变化没有自动补偿以及突发事件等毫无疑问也是引起天然气计量误差的原因。特别是管道泄露引起的误差相当大。例如节流装置前后的差压一般都很小(有的仅为6kPa～60kPa),管道压力往往是它的几十倍,如发生导压管泄漏或堵塞,不仅给计量带来误差, 而且会损坏差压变送器[2]。
 输气系统的泄漏有三种类型:偶然性泄漏、长期性泄漏和普通运行泄漏。偶然性泄漏是指由于输气系统在长期运行过程中的腐蚀和输配设备安装不当或设备发生故障所导致的泄漏。长期性泄漏是由于输配气站本身工艺设计的不合理或设备质量不好导致的泄漏。普通运行泄漏是指由于某些站场管部件本身设计不当造成腐蚀从而引发的偶然性泄漏。一般说来,输气系统的泄漏绝大部分属于偶然性泄漏。造成输气系统发生泄漏的主要原因包括:输气管道和部件长期暴露于酸性气体环境中,造成硫化氢腐蚀;天然气中的H2S、CO2 等酸性气体和H2O、O2 等组分达不到输气系统对气质的要求造成输气管道和部件内壁腐蚀;输气管道制管质量差导致管道螺旋焊缝的断裂;输气管道和部件安装和焊接质量差导致管道环行焊缝和管、件之间焊缝的断裂;阴极保护系统设计不合理或管道外绝缘层破坏所导致的管道外壁腐蚀穿孔;外力(如:洪水、山体滑坡等)或人为原因导致的管道破坏[6]。
3改进措施
 根据上述引起误差的因素，可以对应采取如下改进措施：
 1. 严格按照标准加工孔板，正确安装，合理选择压差量程
 严格按照GB2624-81或SY/Y6143-1996标准中的规定加工孔板。孔板节流装置在使用前的安装中应按照标准安装设计,根据孔板前阻力件形式配接足够长度的直管段,一般应至少前30D。当场地不允许时，必须在孔板前的直管段上安装整流器。孔板入口端面必须与管道线垂直，其偏差不能超过1°。安装时孔板严禁反向。要正确使用和选择压差计，当压差计工作量程在30%以下时，必须及时更换压差计的量程或孔板规格。法兰取压β值应在0.2-0.75，角接取压β值应在0.4-0.6[3]。
 2. 消除脉动流，减小脉动影响，合理解决超量
 可以采用以下方法消除脉动流，减小脉动流的影响[3][5]：
 （1）采用控水采气，保持气井在不产地层水的条件下生产，消除脉动源；采用高效分离器，加强气水分离；从管线中除去游离液体,及时吹扫排出管道内积液，管线中的积液引起的脉动可以采用自动清管系统或低处安装分液器来处理。为使天然气具有最佳的计量性能,应将天然气中的水分彻底脱出。
 （2）控制计量管段下流阀。实践证明，控制下流阀能有效的抑制脉动流，同时对各类脉动源引起的压差波动都有抑制作用。
 （3）加装缓冲罐或设置专门脉动消减器，抑制脉动源引起的差压波动；提高差压和孔径比；安装调压阀稳定输出压力，从而减小脉动对计量的影响
 (4) 在满足计量能力的条件下,应选择内径较小的测量管,使Δp 、β在比较高的雷诺数下运行。
 (5) 采用短引压管线,尽量减少引压管线系统中的阻力件,并使上下游管线长度相等,以减少系统中产生谐振和压力脉动振幅的增加。
 对于由于季节变化引起的超量程问题一般有两种解决途径[2]：
 (1) 孔板不动, 改变差压。其优点是调整方便, 缺点是流量调整范围小;
 (2) 制作2 块孔板, 同时差压也相应改变, 分别用于冬季和夏季, 其优点是流量调整范围大, 精度高; 缺点是安装不方便。另外, 超量程问题还可能是由于设计参数提供得不合理或用户生产负荷调整所致, 此时应重新设计计算或选型。如同一时间用量上下波动很大, 也可采用多台差压变送器并用的方法。
 3.采用新型智能变送器[7]
 传统的机械式(准确度一般为1.5%)差压流量计精度不高,流量与差压信号的平方根成正比例关系。根据标准,如差压精度为1.0%,差压仪表信号为量程的10%,则不确定度
                   （2）
 当差压信号小于10%时,不确定度更大。反之,由于微处理器技术引入变送器,测量精度得到了极大的提高。目前的智能变送器(如YOKOGAWA、FISHER-ROSEMOUNT、HONEYWELL等公司)的精度均优于0.1%,经开方后,输出信号4～20mA仍保持在0.1%的精度。
 4.加强日常管理，对参数进行合理修正[3][6]
 在日常生产中应定期对孔板进行清洁、维修或撤换并且对测量流量进行修正。在孔板流量计日常使用过程中,要确保准确的计量,还应至少每月一次清洗检测孔板、检查仪表零点、仪表D/A 转换通道、核对流量计算程序,对有坑蚀及划痕的孔板应及时更换。
 从节流装置不确定度的计算公式可以看出,天然气的压力、密度、温度和压缩系数的变化将直接影响到测量的精度,因此,应该选择合适的仪表来测量天然气的压力、密度、温度等物性参数。在天然气物性参数波动时应及时对测量误差进行修正,最好做到时时测量,时时修正。同时，应加强巡视检查, 定期排污,防止管道泄露此类情况发生。
 5. 量值溯源是确保天然气计量准确度的有效措施[3]
 (1) 当孔板节流装置的一次装置设计、制造、安装、检验和使用完全符合SY/ T6143 - 1996 标准中1～7 章的全部技术要求时,即可达到几何和流体力学相似,在此基础上可以执行单参数溯源,节流装置部分用长度标准进行几何尺寸干检,压力、温度、时间或气样分析用各自的标准器具或标准样气进行检验,并将标准器与国家基准建立溯源链。
 (2) 对用于贸易计量的孔板流量计量装置,建议流量计投入使用前或使用一段时间后,进行实流检定或校准,以保证一次仪表的准确度。
 (3) 天然气组成分析应采用GB/ T13610 规定的方法进行,标准气体应选择经国家质量技术监督局考核合格的、有合格证并标有不确定度的标准气体,标气准确度应不低于二级标准气体(2. 0 %) 。在条件许可的条件下,应开展天然气在线组成分析和物性参数的在线测定。
 6.采用可换孔板节流装置和定值节流装置，扩展量程范围
 可换孔板节流装置可以在不拆动管道或不停输情况下，方便提升孔板进行检查、清洗或更换，保证计量准确。孔板流量计测量范围一般为3.5:1，而实际工况并不都在此范围，一旦超过测量范围，必将引起测量误差。如果采用定值节流装置与宽量程差压变送器、智能流量积算仪或流量计算机配套使用，就能方便的实现量程的扩展，从而实现传统差压流量计的智能化。同时，采用定值节流装置有利于产品批量生产，降低生产成本。可换孔板节流装置和定值孔板相配套，将实现节流装置产品系列化、标准化，有利于提高节流装置计量的准确度[8]。
4结束语
 影响差压式流量计测量误差的原因非常复杂,难以进行综合定量分析。本文仅从几个主要方面对引起误差的因素进行了综述，并提出了改进措施。客观地讲,在采用孔板流量计测量天然气流量时,如果对孔板流量计的一次装置(孔板节流装置)和二次仪表(差压、静压、温度、天然气物性参数计量器具等) 配套仪表的选择、设计、安装、使用都严格按照有关标准进行, 在使用过程中及时修正不相符之处, 同时加强管理, 做好流量计的检定和维护工作, 加强对计量工作者的业务素质培训，消除计量误差是可能的，而且可以将其流量测量准确度是可以控制在±1%～ ±1.5%范围内的[2][3]。
 最近对孔板流量计的改进主要集中在识别和消除计量系统误差方面。GRI 的计量研究室对上游计量管段配置对孔板计量精确度的影响做了大量的研究, 对气流调节器所产生的影响也做了广泛的研究。气流调节器是安装在流量计上游的一个装置, 用以减轻上游计量管段配置所产生的任何负面影响。未来对孔板流量计的改进可能是通过改进二次仪表系统———压力和温度传感器以及数据采集和储存系统来实现。随着微型传感器和微型计算机技术的进一步发展, 压力和温度变送器以及数据采集、储存和传输系统会变得越来越小巧, 功能越来越强, 价格越来越便宜。把计量传感器和采集、储存以及传输数据的电子元件全部容纳在一个模块上的集成系统在未来几年中将会成为标准件[9]。总之，尽管流量计的种类越来越多，但是孔板流量计仍将以其成熟的技术和特点广泛应用于天然气计量系统中。因此，广大计量工作者必须在工作中总结经验，不断提高计量精度，推动天然气计量工作的不断向前发展。
参考文献
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[2] 陈文阁．差压式流量计在流量测量中的误差分析．机车车辆工艺．2002（5）：30-33
[3]王东，郭淑梅，白岩．差压式孔板流量计的误差来源与控制对策．天然气工业．2004，24（10）：132-135
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[6] 梁光川，袁宗明，蒲爱华等．天然气输差问题分析与研究．天然气工业．1999，19（5）：70-75
[7] 魏海波．一种提高标准孔板流量计量精度的方法．自动化与仪器仪表．2002，（4）:49-53
[8] 蒋洪，朱聪.提高天然气流量计量的准确度.油气储运.1999，18（10）：40-42
[9]翻译: 赵昌会，校对: 纪常杰．二十一世纪的天然气流量计量技术展望．国外油田工程．2000，12：28-30