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孔板流量計在油田天然氣計量上的應用
發布時間:2019-10-10

摘要:文章結合孔板流量計的基本原理及主要特性,闡述孔板流量計在天然氣計量上的應用情況,總結問題,探討解決方法,為今后在設計中使用孔板流量計積累經驗。
0引言
  孔板流量計是目前世界上應用范圍最為廣泛的流量計量儀表之一。所有單相流體都可以測量。由于應用歷史悠久,在試驗研究中積累的豐富資料和統計數據,用干標的方法即可保證流量計計量精度,這在所有流量儀表中是唯一的。多年應用經驗及現場實流對比證明,孔板流量計工作非常穩定可靠。
  孔板流量計在天然氣計量方面應用廣泛,目前全國許多油氣田、長輸管道的天然氣交接計量都采用孔板流量計完成,到現在已經形成了許多應用經驗,值得總結探討。
1孔板流量計類型
  目前廣泛使用的孔板一次裝置分為兩種,一種是簡易孔板截流裝置,一種是高級孔板閥。
  簡易孔板截流裝置:無孔板升降機構,必須停止介質輸送才能完成孔板檢查及更換,結構簡單,造價低。
  高級孔板閥:精度比簡易孔板截流裝置高,檢查、更換孔板、維修時可以不停止生產,在線進行,由于具有孔板升降機構,能夠很快在線完成孔板檢查及更換。操作靈活方便。
2工作原理
  流體在流動過程中,在一定條件下,流體的動能和靜壓能(壓力能)可以互相轉換,并可以利用這種關系來測量流體的流量1。
  介質流經管道中孔板所在的截面時,由于流通面積突然縮小,促使流束產生局部收縮,流速加快,靜壓力降低,因而在孔板前后出現壓力差(簡稱差壓)。可以通過測量此差壓的大小按一定的函數關系來計算出流量值。根據能量守恒定律及流體連續性原理,節流裝置的流量方程可以寫成:

  式中,M為質量流量,kg/s;Q為體積流量,m3/s;ɑ為流量系數;?為流量膨脹系數;F0為節流裝置開孔截面積,m2;ρ1為流體流經節流元件前的密度,kg/m3;Δρ為節流元件前后壓力差,即Δρ=ρ1-ρ2,Pa。
  由式(1)和(2)可見,天然氣流經節流裝置(孔板)時的體積(質量)流量與產生的差壓平方根成正比。基于此原理,孔板流量計通過測量孔板前后差壓,經過計算換算出天然氣的流量。
3孔板流量計的選型和安裝
3.1孔板流量計選型
  我們所說的孔板流量計實際上是許多儀表組成的一個整體,其選型包括高級孔板閥、差壓變送器壓力變送器溫度變送器的選型。
  孔板流量計的選型最基本內容即是通過計算獲得孔板片標準開口尺寸d20和孔板片前后差壓值。目前我們采用符合GB/T21446-2008標準2的計算軟件,其計算步驟簡述如下:
1)輔助計算:
  首先設計人員根據管道介質流量確定d20,即20℃條件下檢測的測量管直徑(孔板閥孔徑)。需要注意的是在滿足計量能力的條件下,應選擇內徑較小的測量管,提高差壓和孔徑比。
計算天然氣真實相對密度、密度、壓縮因子和超壓縮系數。
計算天然氣等熵指數、動力粘度。
計算管徑雷諾數。
2)計算順序:
計算近似值
  將β近似值帶入工時最終求出值(孔徑比)和d值(開孔直徑),進而求出d20,即孔板在20℃條件下測量出的孔徑值。
  需要注意的是,由于單片孔板量程比只能達到1:3,最多不超過1:4,因此對于流量范圍較大的工況,可將流量值分作2~3段,分別計算出口徑從大到小的2~3片孔板。
  結合孔板閥孔徑、孔板開孔直徑和介質工藝條件,就可以計算出ΔPmax和ΔPmin。
  計算完畢后,結合工藝介質條件即可選擇適合設計工況的高級孔板閥和孔板片,并可確定差壓檢測范圍,再根據工況確定壓力、溫度補償儀表的測量范圍,孔板閥的選型就完成了。
3.2孔板流量計的安裝
  孔板流量計的安裝調校,必須嚴格按照相關國家標準GB/T21446-2008進行。
1)直管段的要求
  速度式流量計都有前后直管段的安裝要求,用以起到被測流體穩流的作用,孔板流量計的直管段由其前端安裝的阻流件形式和直徑比確定,在阻流件和值確定的情況下,可以通過查詢GB/T21446-2008來確定直管段長度,GB/T21446-2008規定了各種阻流件要求的最短直管段長度,但在孔板上游安裝整流器的情況下,可以縮短直管段的長度,因此該標準也推薦采用整流器。
  根據規范的要求,目前我們的設計中均在孔板上游設置了流動調整器,按照規范規定,在孔板上游13D(孔板閥內徑)處安裝整流器,再保證30D的前直管段的情況下,可以滿足任何上游阻流件下的安裝,目前這樣的直管段配置已經在設計中普遍采用,相對而言,后直管段的確定則比較簡單,僅僅由直徑比確定,直管段安裝如圖1所示。
孔板流量計安裝圖示
  值得注意的是,由于安裝在孔板上游和阻流件之間的直管段由兩種管段組成,一截是孔板配套提供,一截是工程上提供,兩種管段可能存在內徑不完全一樣的情況,這樣會形成一個凸臺,根據經驗,10D之外臺階h不超過2%的圓度要求即可。
  管段必須是直的,當與管道直線的偏移不超過其長度的0.4%時,即認為管道是直的。通常只需目測檢驗,上下游直管段對接引起的管道直線的偏差也應不超過其長度的0.4%。
2)孔板安裝要求
  孔板應與節流裝置中的直管段對中。實驗表明,孔板偏心引起的計量誤差一般在2%以內,孔徑比值愈高,偏心率影響愈大,應不用值高的孔板。
  不能使孔板發生彎曲或變形,否則將導致流量測量誤差較大。在法蘭取壓的孔板上進行測試,孔板彎曲產生的最大誤差約為3.5%。
3)變送器安裝要求
  差壓和壓力引壓管段在不影響儀表安裝操作的前提下應盡量短,這樣便于保溫和防凍,同時因具有一定斜度,使天然氣中產生的凝液不致在變送器側匯集3。
4)其他安裝要求
  所有墊片不能用太厚的材料,最好不超過0.5mm,墊片不能突出管壁內否則可能引起很大的測量誤差。
凡是調節流量用的閥門,應裝在節流件后最小直管段長度以外。
節流裝置在工藝管道上的安裝,必須在管道清洗吹掃后進行。
4存在問題及解決方法
4.1存在的問題
1)儀表本身計量精度問題
  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。
  測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平,孔板流量計在流體較為干凈、直管段較長、流體處于紊流狀態(雷諾數大于4000)時,測量精度較高。但由于氣質、計量直管段沒有達到要求,造成孔板入口銳角損傷;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。
2)量程比問題
  孔板流量計測量范圍太窄,這是此種流量計應用上的最大不足,由于儀表信號(差壓)與流量為平方關系,一般測量范圍度僅3∶1~4∶1。
3)安裝問題
現場安裝條件要求較高,需要較長的直管段,在工程中有時難以滿足。
孔板閥與差壓、壓力檢測儀表之間引壓管線易產生泄漏、凍堵等問題。
4)使用中產生的問題
  孔板彎曲變形,上游端面沉積臟物,孔板入口直角邊緣破損等問題都會影響到計量精度。
4.2解決天然氣計量問題的途徑
1)保證安裝質量,勤于維護
  可以看到,很多安裝和維護的問題往往影響到孔板流量計測量精度,因此安裝時必須嚴格按要求施工,消除安裝誤差。在使用過程中,操作人員應做好系統的檢修、維護、保養工作,延長其使用壽命,對于實際使用中的壓力、溫度、流量等工況參數的變化,應進行及時修改以減小計量誤差。
2)采用多種辦法提高量程比
采用寬量程差壓變送器
  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
采用雙差壓變送器
  為同一臺孔板閥配套兩臺差壓變送器,根據實際差壓的變化,切換差壓信號,從而擴大量程比,提高測量的有效范圍,保證計量的準確性。
采用多路計量的方式
  針對天然氣流量檢測范圍,設計兩套及以上不同口徑的孔板流量計,根據流量峰值和低谷的時間段,手動或自動切換介質流路,實現寬量程的計量。
5結束語
  孔板流量計已經應用多年,在總結問題的基礎上得出更加科學可靠的設計、使用方法十分重要。隨著流量計算機、組份分析儀的成功應用,孔板流量計作為一種可靠、經濟和方便耐用的儀表設備仍然可以適用未來能量交接的計量場合,潛力依舊可觀。

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