孔板流量計在天然氣測量中的應用

 摘 要   介紹了孔板流量計量器具的應用，同時針對當前孔板流量自動計責系統進行了介紹和分析，為現場孔板流量計計I準確
度的提高提出了相應的建議和要求。
    由于歷史原因和自身的特點，孔板流量計在當前天然氣計量中占據很大市場。同時，由于自動化技術在孔板流量計計量系統中的應用，使孔板流量計計量系統克服了傳統計量過程中人為誤差等不利因素，進一步提高了孔板流量計的計量準確度。
1  天然氣流量計量方法
     我國天然氣計量通常以體積表示，法定單位是立方米。我國規定天然氣流量測量的標準狀態是:壓力為0.101325MPa，溫度為23.15℃。天然氣流量計量方法很多，可用的流量儀表也很多，按工作原理大致分為:差壓式流量計、容積式流量計、速度式流量計3種類型。在計量標準方面，目前世界上多數國家計量標準逐步向IS05167《用孔板測量充滿圓管的流體的流量》靠攏，我國天然氣計量標準也修訂為SY/T6143－1996《天然氣流量的標準孔板計量方法》。
2  孔板流量計自動計量概況
     所謂自動計量，就是利用變送器實時檢測天然氣流量計量中所涉及到的溫度、壓力、壓差等參數，通過計算機中的流量計算軟件，實現整個流量測量環節中無人工參與的天然氣流量測量。隨著計量技術的發展和計算機運用的普及。實現孔板流量計自動化計量的方案較多，目前主要有以下4種模式。
2.1  單變量變送器+流量計算機（或工控機）
     利用單變量模擬變送器分別檢測溫度、壓力、差壓，并將檢測到的電信號轉換成標準的4－20MA模擬信號送人流量計算機（或工控機）的數據采集卡，通過A/D轉換成數字量，在流量計算機（或工控機）上通過流量計算軟件計算出天然氣瞬時流量、累積流量以及實現其他輔助功能。此方式屬傳統自動計量模式，缺點為采集、傳輸為模擬信號，抗*力較差，由于信號轉換等問題計量精度難以提高，而且硬件較復雜、中間環節較多、可靠性較差。可擴展為:單變量變送器+流量計算機+工控機，從而實現流量計算與顯示分開，提高系統的可靠性和可視性。
2.2 多變量變送器+流量計算機（或工控機）
     利用1臺多變量智能變遞器同時檢測溫度、壓力、差壓等，采用現場總線制，通過數字信號傳輸，送入流量計算機（或工控機）數據采集卡后上通過流量計算軟件計算出天然氣瞬時流量、累積流量及實現其他功能。此方式硬件連接簡化了許多，提高了系統的可靠性和測量精度。但由于變送器僅檢測測量信號不進行數據處理，因此在校準時必須和流量計算機一起實行聯校。采用流量計算機或工控機主要區別在于流量計算部分。流量計算機是的固化軟件實現計算和數據存儲，比較穩定可靠，可信任度較高；工控機上軟件計算一般自主開發，便于軟件升級和系統維護，由于計算量大，特別是多路計量時，可靠性稍微差些。為增加系統的可靠性和操作界面直觀化，這種方式也可擴展為:多變量變送器+流量計算機+工控機，即流量計算機中實現流量計算，工控機上實現顯示。
2.3 多變量智能變送器+工控機
     此方式與模式2比較，主要區別是變送器內固化了流量處理軟件，使得變送器可以就地顯示瞬時測量參數和計算瞬時流量，并通過數字信號傳輸，送入工控機顯示和實現其他輸助功能。所測量的流量值必須在工控機上進行二次處理，以實現數據的累積和存儲功能。采用這種方式，系統結構進一步簡化，變送器可單校也可聯校，易于維護。但由于在工控機內實現流量的累積和存儲，可靠性較差，易造成數據丟失。
2.4  一體化智能儀表+工控機
     主要利用一體化智能儀表實現了變送器與流量計算機的一體化。不僅自帶數據庫可實現瞬時參數及流量的顯示，以及累積流量和歷史數據的再現；而且在儀表的運行方面，采取了多種電源保障方式:內電池組、太陽能和外接電源等，實現了在無電力供應情況下，可以獨立自成計量系統，就地顯示天然氣瞬時流量、累積流量和數據的存儲、再現等；正常情況下可通過現場總線和上位機連接，實行數字信號傳輸上傳顯示，也可以在工控機上實行二次數據處理，組成的計量系統更加靈活、可靠。采用這種方式，實現了計量數據的無憂化，使得系統結構簡單、操作更簡單、更可靠、更易維護；不僅可以單校也可以聯校。采用獨立的計量回路，減少了數據傳輸過程的干擾，提高了計量的精度。
3   自動計量方案選擇的原則
     由于天然氣流量計量是一種間接的、多參數的、動態的、不可再現的測量，天然氣的流量計量是流量測量中的難點之一。因此，在選擇具體方案時，應著重考慮系統的可靠性、準確性和*性。一般主要遵從以下原則
3.1  數據的安全性原則
     指在非儀表故障的情況下，計量系統能夠提供準確的計量數據，以實現對天然氣管網的有效監控，并保證數據的可靠性，為企業信息系統實現企業管理、經營、指揮、協調提供重要依據。計量是信息系統重要的數據源，一旦出現問題，將給企業帶來不可估量的損失。因此，數據源要求準確、齊全、完整、可靠。為此在選擇方案時，首要問題就是考慮計量數據的安全性。由于針對天然氣集輸企業分散、環境因素惡劣，要充分考慮計算機故障、電力供應等實際情況，做好預案，避免由此而引起的數據丟失。
3.2  計量回路的獨立性原則
     主要是為了保證在計量系統出現問題時，盡量減少故障的影響面，降低故障的影響程度，從而維護企業的安全平穩運行和經濟效益。
3.3  使用操作的簡單、可靠原則
     由于天然氣集輸企業的站、場一般都比較分散，專業人員相對較少。因此，在選擇、設計方案時要充分考慮操作、維護的簡要性，做到簡單易用、高可靠、低維護，從而確保計量系統的長期、穩定運行。
3.4  兼顧發展的原則
     伴隨天然氣貿易的發展對天然氣計量的精度和計量方式的要求也越來越高。在選擇時要考慮天然氣計量交接方式的可能改變和實時計量補償的可能，如在線色譜分析、實時補償、能量計量等。如果要在企業信息網絡的基礎上，建立以企業信息網絡為紐帶的站控系統，則應考慮實現計量系統數據的遠程組態。
3.5  計算方法和計算軟件的合法性原則
     在天然氣貿易計量中要充分考慮到計算方法和計算軟件的合法性問題，避免由此而引起不必要的計量糾紛。由于天然氣計量方法的多樣性，應考慮計算軟件的獨立化，這樣才便于流量計算軟件的升級。在具體的計量系統中應采用用戶認可的特定計算方法或是以合同、協議的方式規定計算方法。
3.6  技術*、成熟的原則
     現代計量逐步發展成為一門綜合性的專業技術，它是集成計算機技術、通訊技術結晶。由于各儀表廠家技術水平的不平衡，在選擇方案時一定要有預見性。
4   存在的問題
     盡管孔板流量計自動計量系統的發展越來越完善，但由于設備、測量儀表本身的原因和自動計量技術上的局限性，在提高計量的準確性和數據處理上，仍存在一些問題。
4.1  節流裝置帶來的誤差
     首先，孔板流量計在流體較為干凈、流經節流裝置前直管段比較理想（遠大于10倍圓管直徑）、流體處于紊流狀態（雷諾數大于4000）時，其準確度可達0.75級。但由于氣質、計量直管段沒有達到要求，孔板產生誤差的因素有:孔板人口銳角損傷;液體及固體污物堆積在孔板表面，使孔板表面粗糙度改變，大大增加測量誤差。根據對現場使用過的孔板所作測量統計，孔板在剛開始投用時，準確度可達1%，連續運行3月后，其測量準確度僅達到3%甚至更低。其次，量程比的問題。量程比（3:1）是孔板流量計zui大的缺憾。盡管現在已有寬量程比的變送器，但在對于瞬間流量變化范圍很大，流量低于zui大流量的30%時，由于節流式測量方法原因，計量的精度將大幅度降低。因此，為了提高量程比，可以考慮利用變送器寬量程的特點，運用軟件的方式實現量程的自動調整（軟維護），從而擴大量程比，提高測量的有效范圍，保證計量的準確性。
4.2  現場變送器的誤差
     現場壓力、并壓變送器本身能達到的準確度是實現整個計量系統準確度的基礎。因此，要保證差壓變送器、溫度傳感器、壓力傳感器的本身準確度為*，即時進行檢定，保證其準確度。
4.3  異常數據的處理問題
     任何系統都有可能出現故障，可能出現一些異常的無理數據。因此為了維護貿易雙方的利益，對可能出現的異常數據問題在設計時要充分考慮數據的審慎可修改性，從而避免異常數據一旦出現并參與累積計算，造成計量數據的混亂。
4.4  操作界面和過程數據的利用問題
     由于天然氣輸送的連續性、動態性、瞬間的不確定性以及不可再現等特點，實時地進行數據分析，對數據形成的全過程進行有效的監控和保存，有利于數據異常的分析和控制，是數據管理中重要的一環。目前的自動計量系統在此方面有所考慮，但過程數據的應用、分析、界面功能尚不*，還有待于完善。
5   結論
     在采用孔板流量計測量天然氣流量時，如對孔板流量計的一次裝置（孔板節流裝置）和二次儀表（差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數計量器具等）配套儀表的選擇、設計、安裝、使用都嚴格按照有關標準進行，并在受控狀態下使用時，其流量測量準確度是可以控制在±1%～±1.5%范圍內的。
     根據實際應用情況，就提高計量準確度提出以下控制方法及建議。
5.1  孔板節流裝里必須符合標準
     孔板節流裝置應按照標準安裝設計，根據孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段，一般應至少前30D。長慶氣田在開發初期部分集氣站因設計原因流量計直管段長度為*D后5D，造成天然氣計量輸差達到±5%～±8%。分析原因后經技術改造，計量管段改為前30D后10D,使計量輸差降低到±1.5%。
5.2  氣流中存在脈動流的改善措施
     在天然氣計量中由于各種原因使天然氣脈動，可以采取以下措施減小脈動流的影響。
     （1）在滿足計量能力的條件下，應選擇內徑較小的測量管，使Δp、β在比較高的雷諾數下運行。
     （2）采用短引壓管線，盡量減少引壓管線系統中的阻力件，并使上下游管段相等，以減少系統中產生諧振和壓力脈動振幅的增加。
     （3） 采用自動清管系統或低處安裝分液器來降低管線中積液引起的脈動。為使天然氣流量計量達到具有*的計量性能，應將天然氣中的水分*脫出。
5.3  加強計量管理、建立健全各項規章制度
     嚴格貫徹執行SY/T6143-1996標準，確保裝置*符合標準的技術要求。建立健全各項規章制度，如定期維護制度、周期送檢制度，加強對天然氣生產情況的監測，及時消除誤差。長慶氣田根據氣質的凈化程度，規定集氣站、貿易交接計量孔板定期清洗檢查，同時還配備孔板綜合測試儀定期對孔板進行幾何尺寸檢定，使集氣站單井計量輸差能有效控制在±1.0%以內。