天然氣基礎(chǔ)知識三 天然氣計量

一、天然氣計量概述（一）國際上天然氣主流計量方法；對于貿(mào)易計量流量計，統(tǒng)計顯示，歐洲主要使用渦輪、羅茨流量計。荷蘭渦輪、羅茨流量計使用約占80%；加拿大渦輪番量計約占90%；美國使用孔板約占80%。從整體上看，二十世紀70年代形成孔板使用高潮，80年代形成渦輪番量計使用高潮，90年代中后期形成超聲流量計使用高潮。超聲流量計因具備流量方程簡單清楚、寬范圍度、高準確度、牢靠可靠無壓損，而受到人們對它寄以厚望，但因?qū)嶋H應用時間短暴露出一些問題如噪聲影響、直管段長度影響、臟污影響等造成超差，再加上價格原因，用戶在選型上還是偏重于應用成熟渦輪、羅茨等。（二）幾個主流流量計計量原理，計量條件以及優(yōu)缺點概述。1、渦輪番量計（1）渦輪番量計工作原理：當流體流經(jīng)渦輪番量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，渦輪轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器磁阻值，檢測線圈中磁通隨之發(fā)生周期性改變，產(chǎn)生周期性電脈沖信號。在一定流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該電脈沖信號與流經(jīng)渦輪番量傳感器處流體體積流量成正比。渦輪番量計理論流量方程為：式中n為渦輪轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；A為流體物性（密度、粘度等），渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等）關(guān)于參數(shù)；B為與渦輪頂隙、流體流速分布關(guān)于系數(shù)；C為與摩擦力矩關(guān)于系數(shù)。（2）渦輪番量計組成結(jié)構(gòu)：渦輪番量計由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)速隨流量改變而改變，即流量大，渦輪轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為對應頻率電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表進行計數(shù)和顯示，依照單位時間內(nèi)脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。渦輪變送器工作原理是當流體沿著管道軸線方向流動，并沖擊渦輪葉片時，便有與流量qv、流速V和流體密度ρ乘積成百分比力作用在葉片上，推進渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生磁力線，改變線圈磁通量。依照電磁感應原理，在線圈內(nèi)將感應出脈動電勢信號，此脈動信號頻率與被測流體流量成正比。渦輪變送器輸出脈沖信號，經(jīng)前置于放大器放大后，送入顯示儀表，就能夠?qū)崿F(xiàn)流量測量。（3）渦輪番量計優(yōu)缺點：優(yōu)點精度高,在全部流量計中,屬于最精準流量計;重復性好;數(shù)字信號輸出;量程比寬;結(jié)構(gòu)緊湊。缺點不能長久保持校準特征;流體物性對流量特征有較大影響（4）影響渦輪番量計計量準確度原因以及提升準確度方法：水擊現(xiàn)象：氣體在壓力管道中流動時，當碰到閥門突然關(guān)閉或者開啟，壓縮機突然開機或者停機，流體流速會發(fā)生突然極具改變，引發(fā)管道中流體壓力發(fā)生重復，急劇周期性改變。結(jié)果：渦輪軸被損壞或者葉片被損壞。處理方法：緩開緩閉。磨損：因為長久使用，氣質(zhì)存在雜質(zhì)，于是造成了渦輪軸或者葉片磨損。葉片因為污物變得厚重，軸承因為孔隙加大變得松動。結(jié)果：影響精度。處理方法：定時清洗，定時維護渦輪葉片。另外，要注意清洗和維護渦輪番量計前面過濾器。過濾器能夠極大地保護渦輪番量計不受損壞并降低磨損。氣態(tài)影響：渦輪番量計收氣態(tài)影響較大，他對管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流是敏感。結(jié)果：影響精度。處理方法：嚴格執(zhí)行標準。滿足前后直管段要求，另外，加裝整流器將起到愈加好效果。安裝影響：傳感器應安裝在便于維修、管道無振動、無強電磁干擾與熱輻射影響場所。結(jié)果：影響精度。處理方法：傳感器安裝時，應確保測量管道與工藝管道同軸，和傳感器相連接前后管道內(nèi)徑應與傳感器口徑一致，流體方向一致。上游應有不少于傳感器通徑長度10倍直管段，下游應有不少于傳感器公稱通徑長度5倍直管段。官道上溫度計、壓力表安裝部位，應設(shè)計在傳感器上下游不會對傳感器產(chǎn)生擾流影響地方。振動：管道內(nèi)水擊，壓縮機供氣不足都會引發(fā)管線振動。會使葉輪均勻連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)樘S性間斷轉(zhuǎn)動，影響了渦輪番量計輸出脈沖頻率f,形成不規(guī)律脈沖型號，儀表顯示誤差變大。結(jié)果：影響精度。處理方法：規(guī)范安裝及操作，減小人為引發(fā)振動；加固管線，降低振動。2、孔板流量計。（1）孔板流量計工作原理：孔板流量計為差壓式流量計。是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，依照節(jié)流原理，當流體流經(jīng)節(jié)流件時（如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘利噴嘴等），在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量平方成正比。在差壓式流量計中，因標準孔板節(jié)流裝置差壓流量計結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、研究最充分、已標準化而得到最廣泛應用?？装辶髁坑嬂碚摿髁坑嬎愎綖椋菏街?，qf為工況下體積流量，m3/s；c為流出系數(shù)，無量綱；β=d/D，無量綱；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；D為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε為可膨脹系數(shù)，無量綱；Δp為孔板前后差壓值，Pa；ρ1為工況下流體密度，kg/m3。對于天然氣而言，在標準狀態(tài)下天然氣積流量實用計算公式為：式中，qn為標準狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；As為秒計量系數(shù)，視采取計量單位而定，此式As=3.1794×10-6；c為流出系數(shù)；E為漸近速度系數(shù)；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；FG為相對密度系數(shù)，ε為可膨脹系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為流動濕度系數(shù)；p1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對靜壓，MPa；Δp為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生差壓，Pa。（2）孔板流量計組成結(jié)構(gòu)：差壓式流量計通常由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測量管、直管段、流動調(diào)整器、取壓管路）和差壓計組成，對工況改變、準確度要求高場所則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）流量計算機，組分不穩(wěn)定時還需要配置在線密度計（或色譜儀）等。（3）孔板流量計優(yōu)缺點：優(yōu)點：適適用于較大口徑管道計量。無可動部件，耐用。標準節(jié)流件是全世界通用，并得到了國際標準組織認可，無需實流校準，即可投用，在流量計中亦是唯一。結(jié)構(gòu)易于復制，簡單、牢靠、性能穩(wěn)定可靠、價格低廉；應用范圍廣，包含全部單相流體（液、氣、蒸汽）、部分混相流，通常生產(chǎn)過程管徑、工作狀態(tài)(溫度、壓力)皆有產(chǎn)品。檢測件和差壓顯示儀表可分開不一樣廠家生產(chǎn)，便與專業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)缺點：測量重復性、精準度在流量計中屬于中等水平，因為眾多原因影響錯綜復雜，精準度難于提升。范圍度窄，因為流量系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)于,通常范圍度僅3∶1～4∶1。有較長直管段長度要求，通常難于滿足。尤其對較大管徑，問題愈加突出；壓力損失大；通常為維持一臺孔板流量計正常運行，孔板以內(nèi)孔銳角線來確保精度，所以對腐蝕、磨損、結(jié)垢、臟污敏感，長久使用精度難以確保，需每年拆下強檢一次。（4）影響孔板流量計計量準確度原因以及提升準確度方法：基本誤差由測量裝置本身準確度所決定誤差。因為孔板流量計測得流量是依照差壓信號間接求得。從公式能夠看出，影響測量準確度主要原因是α、F、ε等值。必須保持α、F、ε均為恒定值，才能達成差壓和流量之間有恒定對應關(guān)系。但在實際生產(chǎn)中，α、F、ε都與一些原因關(guān)于，尤其是流量系數(shù)α，它是一個影響原因復雜，改變范圍大主要系數(shù)，假如在測量過程中不能確保α為恒定值，則測量誤差將會較大。從資料和試驗證實，流量系數(shù)α值與取壓點位置、孔板開孔截面積和管道截面積比（m=d2/D2）、雷諾數(shù)、管壁粗糙度、孔板入口邊緣尖銳度關(guān)于。所以，標準孔板選取應符合以下技術(shù)要求：標準孔板技術(shù)要求1）孔板相對于開孔直徑d軸線中心對稱；2）孔板上游端面A應于下游端面B平行，而且與開孔直徑d軸線垂直；3）孔板A面、B面應無可見損傷；4）孔板開孔直徑d上游測直角入口邊緣G應銳利，無毛刺和劃痕。5）孔板開孔直徑d內(nèi)圓柱表面長度e應符合：0.005D≤e≤0.02D；6）孔板厚度應符合：e≤F≤0.005D；7）孔板下游側(cè)出口邊緣H和孔板開孔圓柱形下游側(cè)出口邊緣I應無毛刺、劃痕和可見損傷；8）標準孔板在使用過程中，會因為天然氣侵蝕而產(chǎn)生變形，從而引發(fā)流量系數(shù)增大而產(chǎn)生測量誤差。所以孔板材質(zhì)也是確?？装骞ぷ骺煽亢蜏y量準確一個原因。用于天然氣測量孔板采制通常為：Cr17、1Cr18Ni9TiC以及其余耐酸鋼。整套流量計精準度還決定于差壓變送器和流量顯示儀精準度。不過當其余參數(shù)精準度不高時采取高精度差壓變送器并不能起多大作用。流量顯示儀作用主要在監(jiān)視運行參數(shù)穩(wěn)定性等方面，它數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度通常是無問題。所以，要提升測量精準度應有一個全方面估量，這么才能作出技術(shù)經(jīng)濟性最好方案選擇。差壓儀表本身精度也是造成基本誤差原因。假如差壓儀表零點漂移，會使測量結(jié)果與實際值相差較大。附加誤差在流量計安裝和使用過程中，沒有嚴格恪守技術(shù)要求和設(shè)計所提供數(shù)據(jù)而找成誤差。這種誤差大小是無法估量。不過經(jīng)過對造成誤差原因分析，能夠?qū)⒄`差降低?？装辶髁繙y量系統(tǒng)安裝使用時，必須符合以下技術(shù)要求：1）孔板安裝時，他開孔中心和管道中心軸線同心，而且它端面與管道軸線垂直；2）孔板上、下游側(cè)取壓孔軸線符合距孔板上、下游端面距離為25.4±0.8mm要求；3）取壓孔軸線應與孔板上下游側(cè)2D測量管長度內(nèi)圓柱軸線垂直，取壓孔軸線與孔板兩端面向外傾斜角夾角小于3度。取壓孔直徑不應大于0.08D；4）孔板安裝需要前后直管段，直管段長度與孔板上游側(cè)局部阻力件形式和直徑比β關(guān)于。5）差壓信號管路安裝差壓信號管路是指節(jié)流裝置與差壓變送器(或差壓計)導壓管路。它是孔板流量計微弱步驟，據(jù)統(tǒng)計孔板流量計故障中引壓管路最多，如堵塞、腐蝕、泄漏、凍結(jié)、假信號等等，約占全部故障率70％，所以對差壓信號管路配置和安裝應引發(fā)重視。怎樣提升孔板使用精度：管理上：給流量計主路備路裝上不一樣孔徑孔板，方便能夠隨時依照實際流量進行主備路切換。2、定時清洗孔板，校驗孔板，校準傳感器數(shù)據(jù)，定時排污。3、更換孔板，氣體組分發(fā)生改變時候要及時在積算儀上改變。采集上（思緒）：和中石化分輸站流量進行對比。按照孔板大小，流量大小，找出輸差系數(shù)，在積算儀進行計算時候，將系數(shù)帶入。按照實際使用量，進行輸差分攤。3、超聲波流量計。（1）超聲波流量計工作原理：當超聲波穿過流動流體時，在同一傳輸距離內(nèi)，其沿順流方向和沿逆流方向傳輸速度則不一樣。在較寬流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該時差與被測流體在管道中體積流量（平均流速）成正比。超聲波流量計流量方程式為：式中，qf為工況下體積流量，m3/s；V為流體經(jīng)過超聲換能器皿1、2之間傳輸路徑上聲道長度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳輸路徑上聲道長度，m；X為傳輸路徑上軸向分量，m；t1為超聲波順流傳輸時間，s；t2為超聲波逆流傳輸時間，s。（2）超聲波流量計組成結(jié)構(gòu)：速度式氣體流量計通常由流量傳感器和顯示儀組成，對溫度和壓力改變場所則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓賠償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子賠償）；對準確度要求更高場所（如貿(mào)易天然氣），則另配置在線色譜儀連續(xù)分析混合氣體組分或物性值計算壓縮因子、密度、發(fā)燒量等。（3）超聲波流量計優(yōu)缺點：優(yōu)點：可做非接觸式測量為無流動阻撓測量,無壓力損失能夠測量強腐蝕性介質(zhì)和非導電介質(zhì)流量；超聲波流量計測量范圍大，管徑范圍從20mm～5m；超聲波流量計測量體積流量不受被測流體溫度、壓力、粘度及密度等熱物性參數(shù)影響。缺點:傳輸時間法只能用于清潔液體和氣體;超聲波流量計溫度測量范圍不高，通常只能測量溫度低于200℃流體；抗干擾能力差。易受污物、結(jié)垢、及其它聲源混入超聲雜音干擾、影響測量精度；直管段要求嚴格，為前20D,后5D。不然離散性差，測量精度低；安裝不確定性，會給流量測量帶來較大誤差；使用壽命短（通常精度只能確保一年）；超聲波流量計是經(jīng)過測量流體速度來確定體積流量，對氣體應該測量它質(zhì)量流量，儀表測量質(zhì)量流量是經(jīng)過體積流量乘以人為設(shè)定密度后得到，當流體溫度改變時，流體密度是改變，人為設(shè)定密度值，不能確保質(zhì)量流量準確度。只能在測量流體速度同時，又測量了流體密度，才能經(jīng)過運算，得到真實質(zhì)量流量值；價格較高。（4）影響超聲波流量計計量準確度原因以及提升準確度方法：正確安裝：換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作主要原因。安裝換能器需要考慮位置確實定和方式選擇兩個問題。確定位置時應確保有足夠上、下游直管段。在安裝方式上，主要有對貼安裝方式和V方式、Z方式三種。多譜勒式超聲波流量計采取對貼式安裝方式，時差式超聲波流量計采取V方式和Z方式，通常情況下，管徑小于300mm時，采取V方式安裝，管徑大200mm時，采取Z方式安裝。對于即能夠用V方式安裝又能夠方式安裝換能器，盡可能選取Z方式。實踐表明，Z方式安裝換能器超聲波信號強度高，測量穩(wěn)定性也好。防止干擾：防止在壓縮機、大功率電臺、變頻，即有強磁場和震動干擾處安裝機器；選擇管材應均勻致密，易于超聲波傳輸管段；要有足夠長直管段，安裝點上游直管段必須要大于10D（注：D=直徑），下游要大于5D；及時核校對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計數(shù)量大、范圍廣用戶，能夠配置一臺同類型便攜式超聲波流量計，用于核?，F(xiàn)場儀表情況。一是堅持一裝一校，即對每一臺新裝超聲波流量計在安裝調(diào)試時進行核校，確保選位好、安裝好、測量準；二是對在線運行超聲波流量計發(fā)生流量突變時，要利用便攜式超聲波流量計進行及時核校，查清流量突變原因，搞清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實發(fā)生了改變。定時維護與其余流量儀表相比，超聲波流量計維