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流體組分和脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響及偏差修正

來(lái)源: 作者: 發(fā)布日期:2021-03-17

       摘要:綜合渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理、山西省非常規(guī)天然氣井口氣的氣質(zhì)和流動(dòng)特性,分析了流體組分和脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。結(jié)果表明,實(shí)際組分和流動(dòng)特性均會(huì)使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生正向系統(tǒng)誤差。基于此對(duì)修正正供銷差提出了建議。在山西省非常規(guī)天然氣大力發(fā)展之際,面對(duì)絕大多數(shù)企業(yè)貿(mào)易結(jié)算仍采取渦輪流量計(jì)計(jì)量的實(shí)際現(xiàn)狀,該探究結(jié)果對(duì)上、中、下游的供銷差管理具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

 
       隨著國(guó)內(nèi)天然氣市場(chǎng)需求不斷增加,天然氣對(duì)外依存度持續(xù)走高,對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣的自采量增幅提出了更高的要求。山西的非常規(guī)天然氣資源總量約占全國(guó)的1/3,煤層氣資源豐富,2020年全省煤層氣開(kāi)采量達(dá)到1×1010m3/a,在2025年將達(dá)到2×1010m3/a。渦輪流量計(jì)由流體推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生與流量成正比的電脈沖信號(hào),具有精度高、重復(fù)性好、測(cè)量范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。在天然氣計(jì)量的應(yīng)用中,被測(cè)介質(zhì)的黏度、密度、臟污程度、管道安裝結(jié)構(gòu)、脈動(dòng)流和組分等在不同的場(chǎng)所各不相同,綜合各種影響因素后對(duì)渦輪流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度造成較大影響。為此,有必要結(jié)合實(shí)地情況采取必要的計(jì)量修正措施,確保渦輪流量計(jì)計(jì)量精度,為公平交易奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
 
       山西省A分輸站(上游供氣公司)自2011年開(kāi)始向B分輸站(下游用氣公司)供氣以來(lái),供氣長(zhǎng)期受正供銷差困擾,始終未得以徹底解決(A分輸站至B分輸站長(zhǎng)輸管線長(zhǎng)度約為2km)。為此,以A分輸站長(zhǎng)期貿(mào)易計(jì)量交接的渦輪流量計(jì)為對(duì)象進(jìn)行研究。該渦輪流量計(jì)距離上游非常近壓縮站僅7km,且地形地勢(shì)特征高差較大,在全省非常規(guī)天然氣上下游計(jì)量交接中具有代表性。綜合各種影響因素的分析可知,氣體組分和脈動(dòng)流對(duì)計(jì)量的精度有較大影響。本文通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比、AGA8-92DC方法和脈動(dòng)流定性影響分析對(duì)計(jì)量偏差進(jìn)行研究,是山西省非常規(guī)天然氣公平貿(mào)易的一項(xiàng)非常有意義的課題。
 
1渦輪流量計(jì)計(jì)量和換算原理
1.1計(jì)量原理
       流體通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí),流速被轉(zhuǎn)換為渦輪的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速再被轉(zhuǎn)換成與流量成正比的電信號(hào),非常后在計(jì)數(shù)器上進(jìn)行顯示和累計(jì)。目前,絕大多數(shù)渦輪流量計(jì)都為一體化智能流量計(jì),除上述機(jī)械計(jì)量部分外,還包括1臺(tái)體積計(jì)算儀,依據(jù)實(shí)測(cè)工況流量、取壓口實(shí)測(cè)壓力、測(cè)溫口實(shí)測(cè)溫度及內(nèi)部設(shè)定的一些固定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,將工況體積轉(zhuǎn)換為可貿(mào)易交接的天然氣體積,其原理如圖1所示。
渦輪流量計(jì)計(jì)量原理
1.2換算原理
1.2.1工作條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式
       工作條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式如式(1)所示:
工作條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式
       式(1)中,qf為工作條件下的體積流量,m3/s;f為輸出工作頻率,Hz,由頻率計(jì)采集;k為系數(shù),m-3,可按流量計(jì)銘牌給定值。
 
1.2.2標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量換算實(shí)用公式
       標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量換算實(shí)用公式如式(2)所示:
標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量換算實(shí)用公式
       式(2)中,qn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量,m3/s;pf為工作條件下的絕對(duì)靜壓力,MPa;pn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對(duì)靜壓力,MPa;Tn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度,K;Tf為工作條件下的氣體絕對(duì)溫度,K;Zn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的氣體壓縮因子;Zf為工作條件下的氣體壓縮因子。
 
       工作條件下的壓力和溫度的準(zhǔn)確度取決于測(cè)量?jī)x表。標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對(duì)靜壓力為101.325kPa,熱力學(xué)溫度為293.15K。輸出工作頻率由頻率計(jì)采集得到。在不考慮測(cè)量?jī)x表測(cè)量誤差的基礎(chǔ)上,研究范圍可進(jìn)一步縮小,可主要從天然氣組分對(duì)計(jì)量的影響和脈動(dòng)流對(duì)計(jì)量的影響兩方面進(jìn)行研究[1]。
 
2天然氣組分對(duì)計(jì)量的影響
2.1條件設(shè)定
       非常規(guī)天然氣與天然氣相同,也是一種混合物,主要成分是烷烴,絕大多數(shù)是CH4,也含有少量非烴類氣體,其組分在各采氣區(qū)各不相同,但作為影響氣體壓縮因子的因素之一,目前在山西省的計(jì)量交接點(diǎn)處很少進(jìn)行在線分析,一般是在體積計(jì)算儀中輸入默認(rèn)組分比例作為換算的依據(jù)(設(shè)計(jì)組分)。
 
       氣體壓縮因子Zn在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下受介質(zhì)組分變化影響極小(近似于1),但在高壓輸氣條件下,工作條件下的氣體壓縮因子Zf受組分影響會(huì)發(fā)生較大變化。山西省非常規(guī)天然氣的組分與典型的天然氣組分(設(shè)計(jì)組分)相比有較大變化,在高壓輸送計(jì)量中,氣體壓縮因子的變化對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響已超出了其本身的計(jì)量精度,其影響不可忽略。A分輸站2020年9月24日11:06的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。
標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量換算實(shí)用公式
 
2.2組分?jǐn)?shù)據(jù)
       設(shè)計(jì)組分選取典型天然氣組分,如表2所示。非常規(guī)天然氣實(shí)際組分以A分輸站歷年實(shí)際氣質(zhì)檢測(cè)報(bào)告結(jié)果為依據(jù),如表3所示。
 
2.3理論分析組分對(duì)氣體壓縮因子的影響
       壓縮因子的求得方式有很多種,包括儀器、理論計(jì)算方程、憑借經(jīng)驗(yàn)公式估算、Standing-Katz確定等[2]。GB/T17747.1—2011《天然氣壓縮因子的計(jì)算第1部分:導(dǎo)論和指南》推薦用AGA8-92DC和SGERG-88法。所研究分析的介質(zhì)已有歷年詳細(xì)的氣質(zhì)組分,同時(shí)考慮AGA8-92DC法精確度較高,因此選用AGA8-92DC法并通過(guò)VisualBasic編寫程序進(jìn)行計(jì)算。
典型天然氣組分非常規(guī)天然氣實(shí)際組分
       依據(jù)表2典型天然氣組分和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算Zn/Zf,計(jì)算結(jié)果為1.0864,輸入及輸出結(jié)果如圖2所示。
典型天然氣組分氣體壓縮因子計(jì)算結(jié)果
       依據(jù)表3非常規(guī)天然氣實(shí)際組分和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算Zn/Zf,計(jì)算結(jié)果如表4所示。
實(shí)際壓縮因子比值計(jì)算結(jié)果
       通過(guò)對(duì)比分析,采用設(shè)計(jì)組分計(jì)算時(shí)氣體壓縮因子比值為1.0864,而采用實(shí)際組分計(jì)算時(shí)為1.0613,偏差為2.365%。由此可知,不調(diào)整設(shè)計(jì)組分會(huì)導(dǎo)致正2.365%的供銷差。
 
2.4實(shí)際供銷差數(shù)據(jù)
2011—2019年實(shí)際供銷差如表5所示。
2011—2019 年實(shí)際供銷差
2.5天然氣組分對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響
       將理論計(jì)算與實(shí)際供銷差數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果相近,由此可知在假設(shè)條件和不考慮其他影響因素時(shí),受非常規(guī)天然氣組分的影響,計(jì)量值偏大,正偏差值約為2.28%,對(duì)下游接氣單位不利,給下游單位的供銷差管理造成不利后果。
 
3脈動(dòng)流對(duì)計(jì)量的影響
       脈動(dòng)流的成因有很多,如在緊鄰增壓機(jī)出口處、控制閥頻繁操作時(shí)、管線振蕩時(shí)和管線中有漩渦等,有時(shí)壓力和溫度探測(cè)器產(chǎn)生的渦街也會(huì)形成脈動(dòng)流。其特性是介質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定,但周期性變化,流體在加速或減速過(guò)程中會(huì)影響葉輪旋轉(zhuǎn)速,但葉輪旋轉(zhuǎn)相對(duì)滯后,通俗可理解為“慣性”,由此對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量造成一定的影響。
 
3.1流量測(cè)量
       現(xiàn)階段,脈動(dòng)流的直接測(cè)量還存在很大困難,但可通過(guò)誤差方程分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和專業(yè)的脈動(dòng)流量誤差檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)分析某一特定脈動(dòng)流的測(cè)量誤差。前兩種方法基于脈動(dòng)流的振幅和頻率的可測(cè)量性,振幅和頻率的測(cè)量可通過(guò)激光多普勒技術(shù)、熱線風(fēng)速儀法等。專業(yè)的脈動(dòng)流量誤差檢測(cè)設(shè)備已有設(shè)備制造廠家在生產(chǎn)。
 
3.1.1誤差方程分析
       通過(guò)對(duì)機(jī)翼理論的研究,可列出涉及慣量、夾角、葉輪半徑、角速度等參數(shù)的誤差運(yùn)動(dòng)方程,通過(guò)編程可求得針對(duì)某一特定渦輪流量計(jì)的不同振幅和頻率脈動(dòng)流的測(cè)量誤差[3]。依據(jù)動(dòng)量守恒定律,可列出包含流速、切線速度等參數(shù)的非線性微分方程,通過(guò)計(jì)算和分析可理論推導(dǎo)測(cè)量誤差[4]。
 
3.1.2實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)
       現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)流的特性,采用已知標(biāo)準(zhǔn)體積壓縮空氣,在實(shí)驗(yàn)室模擬脈動(dòng)流,將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行對(duì)比,分析測(cè)量誤差。
3.1.3誤差檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)
       上海自動(dòng)化儀表股份有限公司生產(chǎn)的一種燃?xì)饷}動(dòng)流誤差檢測(cè)設(shè)備,可較精確地測(cè)得脈動(dòng)誤差值,但暫未在山西省廣泛應(yīng)用。在絕大多數(shù)燃?xì)夤镜膶?shí)際運(yùn)行管理過(guò)程中,脈動(dòng)流的特性參數(shù)無(wú)法在日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中獲取,因此,主要定性地說(shuō)明脈動(dòng)流對(duì)渦輪流量計(jì)計(jì)量偏差的影響。
 
3.2測(cè)量誤差
     已有很多學(xué)者針對(duì)脈動(dòng)流對(duì)計(jì)量的影響進(jìn)行了研究。分析結(jié)果可知,由于葉輪受流體加速影響小,受流體減速影響大,計(jì)量始終存在正供銷差。此外,正供銷差取決于脈動(dòng)流的振幅和頻率,整體來(lái)說(shuō),如果脈動(dòng)流頻率大于葉輪角頻率時(shí)正供銷差值較大,脈動(dòng)振幅增大時(shí)正供銷差值也隨之增大。
 
3.3脈動(dòng)流對(duì)計(jì)量結(jié)果影響
       A分輸站渦輪流量計(jì)距離上游非常近的壓縮站(往復(fù)式壓縮機(jī)增壓)不到7km,且該分輸站工藝布置緊湊。據(jù)實(shí)地測(cè)量,流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度約為6Dn(Dn為渦輪流量計(jì)口徑,mm),下游直管段長(zhǎng)度約為4Dn。此外,7km管道沿線地勢(shì)高低不平,加之煤層氣氣質(zhì)水含量較大,導(dǎo)致在低洼處極易形成積液,積液也會(huì)造成脈動(dòng)流。2014年8—10月期間,下游公司發(fā)現(xiàn)正供銷差持續(xù)增大時(shí),對(duì)A分輸站和B分輸站的渦輪流量計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定,但標(biāo)定結(jié)果均為合格。隨后下游公司在2014年11月5—7日對(duì)A至B分輸站段管線進(jìn)行了清管作業(yè),共清出污水雜質(zhì)約23t,清管完成后正供銷差明顯減小。清管前后實(shí)際供銷差數(shù)據(jù)如表6所示。
清管前后實(shí)際供銷差對(duì)比
       除此之外,通過(guò)日常運(yùn)行監(jiān)測(cè),供氣瞬時(shí)流量每次顯示數(shù)據(jù)都在變化,且在一定時(shí)間內(nèi)在1個(gè)值上下頻繁波動(dòng)(波動(dòng)幅度約為±20%)。綜合上述情況,該輸氣管道存在脈動(dòng)流的可能性很大。脈動(dòng)流會(huì)造成正供銷差影響,對(duì)下游接氣單位不利,因此有必要對(duì)脈動(dòng)流的影響進(jìn)行修正。
 
4結(jié)語(yǔ)
 
       目前,山西省絕大多數(shù)分輸站未安裝在線色譜儀,且直接測(cè)量脈動(dòng)流流量的計(jì)量表還未被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。探究表明,山西省非常規(guī)天然氣的組分和脈動(dòng)流輸氣均會(huì)使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生無(wú)法通過(guò)定期檢定來(lái)消除的正向系統(tǒng)誤差。因此,為確保作為上下游貿(mào)易交接依據(jù)的計(jì)量表測(cè)量的精度,保證公平交易,可通過(guò)誤差分析修正、組分修正、優(yōu)化工藝等方式對(duì)現(xiàn)渦輪流量直接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
 
a)天然氣組分影響的修正建議。結(jié)合實(shí)際工況條件,合理調(diào)整渦輪流量計(jì)的壓縮因子和天然氣組分;當(dāng)精度要求較高時(shí),采取安裝在線分析儀的方式實(shí)時(shí)更新流量計(jì)參數(shù)。
 
b)脈動(dòng)流影響的修正建議。通過(guò)工藝優(yōu)化、改造,使流體通過(guò)流量計(jì)時(shí)基本穩(wěn)定;選定合適的流量計(jì)型號(hào);實(shí)測(cè)脈動(dòng)流特性,理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)分析測(cè)量誤差,與結(jié)算方進(jìn)行誤差修正;采用誤差測(cè)量設(shè)備對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行測(cè)量和修正,并以此作為結(jié)算依據(jù)。
 
 
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