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影响天然气流量计准确度的因素
点击次数:565 发布时间:2015-09-07

  天然气是的燃料和化工原料。作为燃料,它燃烧完全,发热量大,燃烧后产物对环境影响小; 作为化工原料,它洁净、质优,成本低,可用它生产多种精细化工产品和高附加值产品。近几年,山东经济迅速发展,各种各样的地方企业如雨后春笋拔地而起。他们以天然气作为燃料或者化工原料,但其天然气用量一般在几千标方/天,zui低用气量约 500Nm 3 /d,zui高用气量约 10000Nm 3 /d,山东项目部某些输气站均有这样的用户。天然气流量计量是天然气生产、输送和销售的关键环节。为了能准确计量这些用户的用气量,这样的输气站一直使用天然气流量计。本流量计执行 JJG 198—94 《速度式流量计检定规程》和 Q/ZCY 10—1999 企业标准。
1 天然气流量计的结构与工作原理
1. 1 结构
天然气流量计主要由流量传感器、智能流量积算仪、压力变送器、温度变送器等组成,见图 1。

1. 2 工作原理
如图 1 所示,流量传感器壳体剖面的型线类似文丘利管的型线,两头较大,中间略小。入口侧的收缩段内有一组强制产生旋涡流的导流叶片,出口侧有一个消除旋涡流的整流栅,使流体恢复轴向流动。当流体流入流量传感器时,入口的导流叶片迫使轴向流动的流体旋转,并在收缩段内由于流体的加速流动使旋转流的中心产生旋涡流,这时,随着管截面的缩小,旋涡流集中在中心轴上,当旋涡流体进入扩散段时,由于流速减慢,旋转流体受到回流的作用,开始二次旋转 (见图 2),旋涡流出现转折点 (在这一点上流体的轴向速度分量为零),形成涡流进动现象,故称旋进旋涡。天然气流量计属于速度式流量计。

流体的二次旋转频率与流量大小成正比,不受流体物理性质的影响,而且能在较宽的流量范围内获得良好的线性度 (见图 3)。该流量计采用压电传感器作为检测元件,将测得的流体二次旋转率经前置放大器放大、滤波、整形成与流速成正比的脉冲信号,传输给流量积算仪进行数据处理。

2 影响天然气流量计准确度的主要因素
2. 1 选型不合理对计量准确度的影响
任何计量器具都有其正确的计量范围、计量精度和工况条件。正如我们卖煤通常用磅秤,卖黄金则选天平称量一样。我们应根据计量值的大小和准确度选择计量器具。
从图 3 流量计误差特性曲线可以看出: 当天然气流量 Q > Q min ,且 Q < Q max 时,流量计相对误差zui小。
所以,在选用流量计时,我们应根据用户用气流量来确定流量计的通径。应特别注意的是: 这里所指的流量是流量计在工况条件下的体积流量,不是标况条件下的体积流量。其换算公式:
Q N = Q V (Pa + P) /P N ·T N /T·Z N /Z (1)
式中: Q N 为标况条件下的体积量,m 3 ; Q V 为工况条件下的体积流量,m 3 ; Pa 为当地的大气压力,kPa;P 为流量计取压孔测得的表压,kPa; P N 为标准状态下的大气压力,101. 325kPa; T N 为标准状态下的温度,293. 15K; T 为被测天然气的温度,K;Z N 、Z 为被测天然气标况与工况条件下的压缩系数,在选型中可取 Z N /Z =1。
如某用户用气压力 0. 5MPa,温度 20℃,标况下的zui大用气量 300m 3 /h,zui小用气量 30m 3 /h。按公式
(1) 计算出工况条件下的zui大体积流量 Q V max≈50m 3 /h,zui小体积流量 Q V min≈5m 3 /h。查流量计使用说明书中的技术性能表,可选用通径DN32 的流量计 (流量范围为 4 ~60m 3 /h)。如果错误地直接用标况下的用气量范围,选 DN80 流量计 (流量范围为 30 ~ 450m 3 /h),必将造成较大的计量误差。因为在用气压力 0. 5MPa,温度 20℃ 工作
状态下的流量 Q V = 30m 3 /h,换算在标准状态下的流量 Q N ≈180m 3 /h (相当于4320m3/d)。即选DN80 流量计时,用户实际zui小用气量应大于 180m 3 /h。
从图3 流量计误差特性曲线可以看出: Q < Q min 时,流量计相对误差较大。当用户用气量 Q <4300m 3 /d,若选用的DN80 双探头流量计是计量不出天然气流量的,等于每天白送用户 4000m 3 气量。
在现场实际工作中,发现天然气流量计在低流量状态下,容易造成较大的计量误差。特别注意以下几点:
⑴当天然气压力波动时,天然气并未流过天然气流量计,但是单探头的流量计显示的流量并不为 0。
因为气压波动,气流在流量计内必然发生扰动,并产生旋涡,检测元件将测得的旋涡进行计量,所以流量计有流量显示。用此流量计的用户,在不用气时,将流量计前后阀门关闭,以减少计量误差。⑵双探头的天然气流量计,采用独特的传感器和特殊电路处理技术,有效地抑制了压力波动对仪表计量的影响,但当实际流量 Q < Q min 时,流量计显示的流量全都为 0。
2. 2 安装不合理对计量准确度的影响
根据天然气流量计的工作原理 (如图 2 所示),要求气流流经流量计前,其流束必须与管道轴线平行,不得有旋转流和横向流,流速在轴向上得到充分伸展。气流经入口侧的导流叶片,产生旋涡流,旋涡流中心的旋转频率被检测元件测得,从而计算出气体的流量。
反之,当气流流经流量计前受到阻流件干扰,流束不能与管道轴线平行,流速在轴向上不能得到充分伸展。气流经导流叶片,产生旋涡流中心的转折点和旋转频率必然发生漂移和改变,检测元件不能测得正确的数据,势必增大流量计的计量误差。
所以,流量计上游应有至少 10D 长度的计量直管段。流量计上游直管段太短、直管段内壁不光滑、安装流量计时法兰垫片突入管道内等不合理的安装,造成流束不能与管道轴线平行,增大了流量计的计量误差。
(1) 直管段内径与流量计通径不相等,造成流量计计量偏低。
如某输气站的用户原用 DN100 型流量计,计量管线内径 D =104mm(Φ114 × 5)。后来用气量增加,将原流量计更换为 DN150 型,计量管线不变 (计量管内径 D = 104mm),在计量过程中,交方发现计量输差较大。为此,选用内径 D = 104mm(Φ114 × 5)的直管段与一台 DN150 流量计相联,并在其上游串装一台DN100 型音速喷嘴流量计。试验结果见表 1。

从表 1 可以看出,将内径 D =104mm 的直管段直接与 DN150 流量计相联。实际上相当于: 流量计上游与流量计通径相等的直管段长度 L 1 = 0。流量计运行7 天,其相对误差zui高达 - 22. 94%。所以,流量计上游的直管段长度和内径,必须符合有关技术规范。
(2) 法兰垫片突入计量直管段内,造成流量计计量偏低。
如某一保温材料厂申请天然气用量 3000m 3 /d。
选 DN50 天然气流量计计量,每天实际结算气量不到 1800m 3 /d,同该厂实际用气量相差较大。输气站和用户协商,准备将流量计拆下送去计量检定时发现: 流量计入口侧的法兰垫片内径不圆,部分垫片突入计量直管段内有一指多宽; 且旋涡发生器上还缠有一团棉纱。排除上述故障后,立即重装流量计供气,该厂实际用气量达到 3600m 3 /d。事实上,由于钢材的腐蚀、焊缝处焊碴等原因造成计量直管段内壁不光滑,温度计插管、法兰垫片等突入计量直管段内等阻流件,增加了流体的阻力,改变了流体的流向,造成流体流束不能与管道轴线平行,改变了流体在流量计内的流动特性,导致流量计计量偏低。因此,在流量计的安装过程中要特别注意清理流量计上游计量直管段内的杂物、磨平焊缝、法兰垫片内径适当大于直管段内径。安装天然气流量计时,应当认真阅读产品的使用说明书。只有保证了流量计安装正确,才能实现流量计的准确计量,减少计量误差。交接双方都要有计量就是 “计钱"的意识,马虎不得。在工作中,经常有这样的情况,总觉得某台流量计计量的气量大大低于用户的实际用气量,总认为是流量计计量不准,就把流量计送去进行流量检定,结果流量计误差又不超标。这时你首先应该认真检查流量计安装是否正确规范。因为流量计检定机构的计量直管段总是足够长的,直管段内壁也是相对干净而光滑的,流量计的安装也是规范合理的。
(3) 计量管线震动对流量计的准确度也有影响。
关闭流量计后的阀门,此时天然气并未流过流量计,震动流量计时,单探头的流量计就会有流量显示。因为流量计震动时,流量计内的气体相对于检测元件会发生相对运动,流量计就会有流量显示。双探头的流量计,能有效地消除这类干扰信号对仪表计量的影响,但同时也屏蔽了较低流量的信号,当实际流量小于流量计zui低流量时,流量计显示流量为 0。所以,天然气流量计上、下游直管段应有基础固定,尽可能减少管线震动对流量计准确度的影响。
(4) 工作场所的强磁场对流量计微处理芯片也有一定的影响。
2.3 改变流量计结构和参数设置对计量准确度的影响
(1) 旋涡发生器松动,造成流量计计量偏低。天然气流量计的旋涡发生器松动后,用力拨动,旋涡发生器可以沿其中心旋转。经计量由此造成的检定误差达 - 52. 64%。气流进入旋涡发生器时,气流发生旋转的同时,旋涡发生器受气流的反作用力,也发生反向旋转,改变了流体旋涡中心的二次旋转频率,造成流量计计量偏低。
(2) 流量计参数设置错误,对流量计准确度的影响。
流量计各参数,出厂前已设置妥当,用户不得随意更改。只有极个别参数 (如流量计密码设定、读数回 0 等),用户可以更改。非用户更改的参数 (如基准压力、基准温度、仪表系数等),只有在流量计计量检定时,由计量检定机构进行更改。否则将导致仪表误差增大或工作失常。
2. 4 天然气气质和流动状态对计量准确度的影响
(1) 天然气含液,造成流量计计量偏低。
气井生产的液气经分离器简单分离后,天然气可直接供给附近的乡镇企业做燃料气,用天然气流量计计量。当分离器液气分离效果较差时,天然气中会携带出一定的液量。当天然气中的液量在管道中聚集成液流,液气两相流同时流过流量计时,流量计显示的流量立即从 200m 3 /h 降为 0。可见天然气流量计只适合单相流体的计量,不适合含液较多的两相流体计量。
气质较脏时 (含原油),流量计壁内、旋涡发生器或检测元件探头表面结垢,对流量计准确度也会产生影响,应经常清洗流量计的上述部件。
(2) 气流波动大,对计量准确度的影响。
《天然气工业》2002 年 7 月,发表田军等撰写的文章 《天然气中小流量计量仪表》 ,作者通过试验数据说明了气流脉动对天然气流量计的影响。对单探头流量计影响很大,平均相对误差高达-56. 3%,对 TDS 型双探头流量计影响较小,平均相对误差为 1. 2%。
天然气流量计无机械可动部件,体积小,耐腐蚀,性能稳定,可直接显示介质的工作压力、温度、流量以及标准状态下的气量,量程范围宽,计量误差小等优点,现已广泛用于油气井的生产计量和天然气的销售计量中。在多年来的现场应用中,认为该流量计于较为干净的干气计量,渐成为中小用气计量的计量仪表。要保证天然气流量计计量准确,减少计量误差,必须注意以下几个问题:
(1) 选型合理。勿使实际zui小流量 Q V min 低于所选通径流量计流量范围下限。
(2) 安装正确。流量计上游的应有至少 10D
长度的计量直管段。直管段内壁应光滑,更不能有台阶,磨平连接法兰的焊缝,法兰垫片不能突入管道内。更不能把流量计的安装方向装反了。试验证明: 一切不合理的安装,都将导致流量计计量值偏低。
(3) 远离震荡源,或在流量计上下游安装支墩,以避免管线震动的影响。避免强磁场对流量计芯片的干扰。
(4) 气质相对干净。尤其不能出现液气两相流。气质较脏时,应即时清洗流量计。
(5) 减少气流脉动的影响。可在流量计前安装缓冲罐,或者加长流量计上游的计量直管段长度。
(6) 即时对流量计进行计量检定,确保量值准确可靠。

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