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            標準孔板流量計

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            標準孔板設計管理軟件在天然氣流量計量核查中的運用

            作者:晁宏洲,黃明基 來源:中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部 發布時間:2021-03-02 08:51:08

             摘要: 文章對 TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件進行了驗證,利用該軟件計算核查了用戶提出異議的標準孔板計量系統存在的問題,同樣用該軟件設計計算了新孔板的開孔孔徑,對更換孔板前后的計量系統做了比對,修正處理了錯誤的計量數據,消除了計量異議。

                   作為一名從事天然氣交接計量工作的技術人員,具備一定的與流量計量相關的計算能力是必需的,比如流量計測量管處的流速與流量的互算、工況流量與標況流量的互算、流量計前后壓損的計算、管存氣的計算、天然氣物性參數 ( 密度、壓縮因子、發熱量) 的計算等。特別是依靠多參數檢測的組合儀表,比如標準孔板、標準噴嘴等,計算公式更為復雜,包含的參數更多,在設計和管理此類計量儀表時,計算能力顯得更為重要。現在已有很多的由專業公司生產的流量設計計算軟件公開發售,為計量工作者提供了方便。在使用這種第三方軟件時,只需要對其進行驗證后簡單操作即可。

                   在天然氣貿易交接計量過程中,供需雙方之間的計量爭議不可避免、經常發生而且普遍存在。當供需雙方對計量的天然氣量不能一致認可,無法正常結算時,需要通過一定的管理程序,借助必要的技術手段,開展計量核查,做出一個公正的處理。借助流量設計管理軟件,發現技術問題,解決 技 術 問 題,從而消除計量爭議,化 解 計 量糾紛。 

            1 驗證

                   早在某油田開始對地方周邊供氣時,供氣方為了減少投資成本 ( 不設備用回路) 和儀表檢定方便,大量設計建設了標準孔板計量系統。標準孔板計量系統是目前各類天然氣貿易交接計量儀表中相對復雜的,設計和管理難度相對較大。因為其關聯參數多,配套檢測儀表多,使用標準孔板流量計測量天然氣流量,根據現行檢測方法標準 GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》[1],天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式為: qVn = AVnCEd2FGεFZFT ( P1Δp) 1 /2 ( 1)式中: qVn為天然氣在標準參比條件下的體積流量; AVn為體積流量計量系數視采用計量單位而定; C 為流出系數,有專用的復雜計算公式; E為漸近速度系數,有專用計算公式; d 為孔板開孔孔徑,標準孔板的檢定證書上載明; FG 為相對密度系數,有專用計算公式; ε 為可膨脹性系數,有專用的復雜計算公式; FZ 為超壓縮系數,有專用計算公式; FT 為流動溫度系數,有專用計算公式; P1 為孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓,儀表檢測得到; Δp 為氣流流經孔板時產生的差壓,儀表檢測得到。

                   除了式 ( 1) 中列出的各項參數需要大量的計算外,還有背后的隱性的大量參數同樣需要計算,比如通過 GB /T 17747 《天然氣壓縮因子的計算》[2]計算得到 Z 值,通過 GB /T 11062 《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》[3]計算得到 ρ 值等。GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》中還給出了大量的參數表格供計算采用,也給出了流量、孔板開孔孔徑、差壓的迭代計算公式供使用者計算機編程根據流量計算公式,一般開展三方面的計算: 

                   ①根據差 壓 計 算 流 量; 

                   ②標準孔板開孔孔徑的計算; 

                   ③根據流量計算差壓。在實際計量過程中, 第②項主要用在孔板計量系統的設計計算,而第①、第③項主要用在日常的管理,特別是在計量爭議發生時用以驗證計量系統的符 合 性、準確性。

                   公開發售的第三方專業軟件需要依據標準進行驗證無誤后才能在計量系統的設計和管理中運用。運用北京博思達公司生產的 TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件對 GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準附錄 F “天然氣流量計算和設計計算實例”中的三類計算過程進行復核,驗證軟件的正確性。 

            1. 1 根據差壓計算流量

            完全采 用 標 準 附 錄 F. 1. 1 中的所有已知條件[1],計算標準孔板測量的天然氣流量,標準計算結果為 8. 312 3 m3 /s,即 29 924. 3 m3 /h。軟件計算結果為 29 906. 5 m3 /h,相對偏差為 0. 059% 。 1. 2 計算孔板開孔直徑完全采 用 標 準 附 錄 F. 2. 1 中的所有已知條件[1],計算標準孔板開孔直徑,標準計算結果為d20 =148. 94 mm,軟件計算結果為 d20 = 147. 39 mm,相對偏差為 1. 040% 。

                   標準孔板開孔孔徑的計算不必要求精確,以滿足給定的操作條件為準。設計計算的標準孔板經過制造加工后,還要經過法定或授權的計量技術機構 的 檢 定,以檢定證書上載明的實際尺寸為準。 

            1. 3 根據流量計算差壓

                   完全采 用 標 準 附 錄 F. 3. 1 中的所有已知條件[1],計算天然氣流經標準孔板前后的差壓,標準計算結果為 12 017 Pa,軟件計算結果為 12 029 Pa,相對偏差為 0. 100% 。差壓量程設計計算不必要求精確,以滿足給定的操作條件為準。設計計算的差壓量程過適當擴展后,不但要符合標準規定的測量區間要求,還要方便差壓變送器規格的選擇。經過以上 3 類計算,驗證了 TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件完全符合GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準,在實際的天然氣標準孔板計量系統的設計和管理中可以放心運用。

            2 運用

                   某油田為周邊一化工廠供氣,以天然氣為原料加工生產高附加值的化工產品。標準孔板計量系統在投用后一段時間,用戶多次來函提出計量異議,稱商品氣貿易交接計量量與其化工裝置計算消耗量嚴重不符,并與其入廠原料氣對接計量的標準孔板計量系統計量值差異很大。接到用戶的計量異議后,供氣方隨即對供需雙方貿易交接計量的標準孔板計量系統開展計量核查,查找和解決問題。 

            2. 1 問題的查找

                   供氣方對計量系統的各類計量儀表檢定證書進行查驗,證明標準孔板、壓力變送器、溫度變送器、差壓變送器均經依法檢定且在有效期內,又使用 TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件采集同一時刻的壓力、溫度、差壓參數,計算驗證供氣計量系統流量計算機內置的孔板算法程序符合標準規范。再對各類儀表的使用區間進行查驗,發現存在兩個問題: ①工作溫度4. 376 ℃,處在溫度變送器測量范圍 0 ~ 100 ℃ 的 4. 4% 處; ②工作差壓1. 068 7 kPa 處在差壓變送器測量范圍 0 ~ 60 kPa 的 1. 8% 處。與 GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》 標準附錄C. 1. 2 “儀表量程選用規定”要求的 “天然氣溫度變化應在等分刻度溫度儀表滿量程的 30% ~ 65%范圍內”和 “差壓值應在滿量程的 10% ~ 90% 范圍內”不符,說明溫度和差壓測量儀表選型不正確或者使用不當。

                   考慮到溫度對天然氣流量計量的影響較小,且采購和更換溫度變送器較為簡單快捷,供氣方把解決問題的落腳點確定在核準差壓測量上。差壓變送器經檢定合格,說明儀表本身不存在問題,分析是由于標準孔板大小選型不當,造成 “大馬拉小車”導致差壓測量值偏小,流量計使用在測量范圍的下限值以下區間。需要經過設計計算,選擇合適開孔孔徑的標準孔板,適應實際的天然氣流量變化范圍。 

            2. 2 問題的解決

                   正確查 找 到 問 題 的 原 因 之 后,供 氣 方 借 助TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件設計計算合適孔徑的標準孔板,現場計量工藝條件如下。

                 (1) 測量管內徑: D = 199. 113 mm,20 號鋼的新無縫鋼管。 

                   ( 2) 氣 體 常 用 流 量: 7 800 Nm3 /h,zui 大 流量: 8 500 Nm3 /h,zui小流量: 2 700 Nm3 /h。 

                   ( 3) 氣流常用溫度: t = 5. 6 ℃。 

                   ( 4) 氣流常用表靜壓: p1 = 3. 355 MPa。 

                   ( 5) 當地常用大氣壓: Pa = 0. 090 3 MPa。 

                   ( 6) 節流裝置要符合 GB /T 21446—2008 標準相關技術規定,法蘭取壓。 

                   ( 7 ) 溫度測量系統不確 定度小于或等于0. 2% ,測量范圍 0 ~ 100℃ ; 壓力測量系統不確定度小于或等于 0. 25% ,測量范圍 0 ~ 5. 5MPa; 差壓測量系統不確定度小于或等于 0. 25% ,測量范圍 0 ~ 60 000 Pa。

                   ( 8 ) 天 然 氣 組 分 ( 摩 爾 分 數% ) : 甲 烷89. 461; 乙烷6. 22; 丙烷1. 29; 丁烷0. 279; 異丁烷 0. 250; 戊 烷 0. 054; 異 戊 烷 0. 079; 己 烷+ 0. 028; 氮氣 2. 25; 二氧化碳 0. 089。

                   專業軟件計算出的現場計量工藝條件下的合適標準孔板開孔孔徑值為 ( 44. 787 ± 0. 022) mm。供氣方按照 d20 = ( 44. 787 ± 0. 022) mm 的尺寸向孔板節流裝置廠家訂購了新的標準孔板,送中國測試技術研究院檢定后,實測 d20 = 44. 841 mm。將新的標準孔板裝入孔板節流裝置,瞬時流量立刻有了較大的變化。孔板計量系統在更換標準孔板前后的對比如表 1 所示。

            供氣計量系統更換標準孔板前后對比

                   完全按照供氣孔板計量系統的現有工藝和儀表參數,再次運用 TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件計算差壓滿量程 10% ~ 90% 范圍內的流量點,證明天然氣在標準參比條件下體積流量測量不確定度均小于 1. 0% ,滿足GB /T 18603 《天然氣計量系統技術要求》[4]標準規定的一級 B ( 2. 0) 計量系統準確度要求。計算結果如表 2 所示。

            更換孔板后計量系統流量測量不確定度

                   從表 2 數據可以看出,在差壓變送器滿量程0 ~ 60 kPa 的 10% ~ 90% 區間范圍內,標準孔板計量系統的流量測量不確定度均滿足標準要求且隨著差壓的增大,測量不確定度在減小。

            2. 3 差異量的處理

                   考慮到為化工企業供氣,供氣流量雖然較穩定,但瞬時流量還是有一定程度的變化,采取標準孔板更換前后一周內的日供氣量數據加和計算供氣計量誤差,對更換標準孔板前存在問題的計量數據進行修正。計量相對誤差為 7. 975% ,更換孔板前后日累量如表 3 所示。

            更換標準孔板前后供氣量

                   按照 7. 975% 的誤差數據對更換標準孔板前存在問題的供氣量進行修正,按照公平公正原則對多計量的氣量予以核減,核減后的貿易交接氣量與用戶化工廠入廠對接計量氣量非常接近,計量異議消除。

                   筆者在多次開展標準孔板計量系統天然氣流量計量核查的管理實踐過程中,發現孔板流量測量算法程序不符合 GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準規定的情況較多。很多用戶在貿易交接計量系統中也未配置流量計算機,孔板流量算法程序內置在上位機 PLC、RTU 或 DCS 中,算法程序也不標準。中國石油 《油氣儲運項目設計規定》輸氣管道天然氣計量系統通用技術規格書要求 “流量計算機應為專用產品,不接受采用通用 RTU、PLC 進行計算的產品。流量計算機需獲得 OIML、PTB、NEL 或 API 貿易計量認證”。在油氣田的中間過程計量中,標準孔板計量系統普遍不會配置專用流量計算機,孔板算法程序很粗略,雖然各項儀表檢測結果準確,但流量計量結果往往都是不準確的,需要配置符合標準的孔板流量計算轉換單元。 

            3 結語

                   ( 1) 對照 GB /T 21446 《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準的 3 類算例,驗證 TRQ-2004- 02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件算法程序符合標準要求,具有很高的準確度,可用于標準孔板計量系統的設計和管理。 

                   ( 2) 借助 TRQ-2004-02 天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件對用戶提出異議的標準孔板計量系統查找存在的問題,設計計算合適尺寸的標準孔板,對計量系統進行整改,整改后經驗證符合標準要求,依照比對誤差對不準確的交接氣量進行修正,消除了計量異議。 

                   ( 3) 標準孔板計量系統存在問題多集中在孔板開孔孔徑大小不適宜,在流量計算環節的算法程序也常常不符合標準規定。很有必要在標準孔板天然氣貿易交接計量系統中配置專用流量計算機,在過程計量系統中采用流量計算轉換單元予以規范。

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