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流量核查在天然氣流量計中應用
發布時間:2019-11-06

摘要:以標準表法流量標準裝置為例,首先介紹了天然氣流量計檢定的原理,然后對檢定工況參數不穩定或工況參數測量不準確對檢定結果的影響進行定性和定量計算分析,最后對保證流量計檢定結果準確可靠的措施及多種不同工藝的流量核查方案進行研究和討論。實踐證明,流量核查技術的應用是保證流量計檢定結果準確可靠的有效措施。
0引言
  天然氣流量計實流檢定是一個多參數組合測量過程,影響檢定數據準確性的因素較多。檢定工況參數不穩定,參數測量結果不準確,標準流量計的性能發生變化等都會影響檢定結果的準確性和可靠性。要準確開展天然氣流量計量,必須對這些影響因素進行充分的研究和分析,并采取必要的技術措施。
1流量計檢定的原理
  采用標準表法流量標準裝置檢定流量計依據的是流體流動的連續性原理,即質量守恒原理[1],如圖1所示。

  標準流量計MM和被檢流量計MUT用管道連接,在測試時間內,流入標準流量計MM的質量流量為m1,流入被檢流量計MUT的質量流量為m2,標準流量計和被檢流量計間管容內質量變化量為Δm,則:
m1=m2+Δm(1)
當流動達到穩定狀態時,Δm=0,所以
m1=m2(2)
  亦即天然氣流量計的檢定是在穩定條件下使天然氣連續流過標準流量計和被檢流量計,記錄在相同時間間隔內標準流量計和被檢流量計的測量值,通過計算被檢流量計的示值誤差和重復性等計量性能參數,來判斷流量計檢定是否合格[2]。
流量計示值誤差可用式(3)和式(4)計算:

  式中:E為被檢流量計的相對示值誤差,%;Qm為被檢流量計的累積流量,m3;Qs,m為標準流量計的累積流量換算到被檢流量計處工況條件下的流量值,m3;Qs,s為標準流量計的累積流量,m3;p為天然氣的壓力,MPa;T為天然氣的溫度,K;Z為天然氣的壓縮因子。下標s表示標準流量計處的參數,下標m表示被檢流量計處的參數。
2影響檢定結果的因素分析
2.1工況參數穩定性的影響
  由式(1)可見,當檢定過程中工況參數不穩定時,m1≠m2,亦即流過標準流量計和被檢流量計的量值不一致,此時用式(3)計算得的示值誤差不能準確地反映流量計的真實特性。
  由于在一次檢定過程中天然氣組分變化不大,所以,此處只考慮壓力和溫度變化的影響。根據狀態方程,管容內天然氣的質量變化量可用式(5)計算。

  式中:p為管容內天然氣壓力,Pa;V為管容,m3;M為天然氣摩爾質量,kg·kmol-1;Z為管容內天然氣的壓縮因子;R為通用氣體常數,J/(mol·K);T為管容內天然氣溫度,K。
  以一組實際檢定數據為例,分別給出壓力和溫度變化對流量計檢定結果的影響。
  檢定一臺DN250流量計,每次檢定時間為60s;在流量為5600m3/h下,使用5臺并聯安裝的標準流量計,在流量為580m3/h下,使用1臺標準流量計,初始檢定結果如表1和表2所示。該標準表與被檢表之間管道的容積為9.778m3,累積質量分別為4451.96kg和466.18kg。

檢定參數變化引起附加管容中質量變化對示值誤差的影響用式(6)計算:

  假設檢定過程中壓力變化±5kPa,溫度變化±0.2℃,對檢定結果的影響見表3和表4。
  檢定規程JJG1030[3]和JJG1037[4]中規定對準確度等級不低于1.0級的流量計,在每個流量點的每一次檢定過程中,壓力波動應不超過±0.5%,檢定用氣體的溫度變化應不超過±0.5℃。按此規定計算壓力變化±30kPa、溫度變化±0.5℃時,對檢定結果的影響見表5和表6。
  可見,工況參數的穩定性對檢定結果有較大的影響,尤其是小流量點,因為累積流量較小,所以,影響更大,而且壓力或溫度變化為檢定規程最大允許值時將產生不可忽略的影響。
  為了保證檢定結果準確,除了保證在檢定過程中工況參數處于穩定狀態外,在設計階段還應該考慮盡可能減小標準流量計和被檢流量計之間的管容,檢定過程中需保證足夠長的測量時間。



2.2工況參數測量準確性的影響
  由式(4)可見,標準流量計和被檢流量計處工況參數測量的準確性也會影響檢定結果。
  為了有個定量的了解,并且比較不同流量點下相同影響因素對檢定結果的影響,仍以前面的檢定數據為例,分別從標準流量計壓力和溫度、被檢流量計壓力和溫度、天然氣組分等方面定量分析測量結果準確性對檢定結果的影響。在分析壓力和溫度的影響過程中,同時考慮壓力和溫度測量結果準確性對壓縮因子的影響。
2.2.15600m3/h流量點測量結果準確性影響分析
  在流量為5600m3/h下,投用5臺并聯安裝的標準流量計,初始檢定結果如表1所示。
該流量點下標準表或被檢表壓力測量誤差5kPa或溫度測量誤差0.2℃或組分中C6+測量誤差0.02%后對流量計檢定結果的影響如表7所示。
  從表中可以看出,多路標準表并聯情況下,被檢表壓力或溫度的偏差比其中一路標準表相同大小的偏差帶來更大的示值誤差的變化,而天然氣組分偏差對示值誤差的變化影響相對較小。
2.2.2580m3/h流量點測量結果準確性影響分析
在流量為580m3/h下,投用1臺標準流量計,初始檢定結果如表2所示。

  該流量點下標準表或被檢表壓力測量誤差5kPa或溫度測量誤差0.2℃或組分中C6+測量誤差0.02%后對流量計檢定結果的影響如表8所示。
  從表中可以看出,單路標準表情況下,被檢表壓力或溫度的偏差與標準表相同大小的偏差帶來大小近似但方向相反的示值誤差變化,而天然氣組分偏差對示值誤差的變化影響仍然相對較小。

3確保檢定結果準確可靠的措施
  從上面的分析和討論可見,檢定過程中工況參數不穩定或測量不準確都會影響檢定結果的準確性。標準流量計性能的變化更是直接影響檢定結果。為確保檢定結果準確可靠,應采取一系列技術保證措施。
  一是對標準流量計及輔助計量器具按照相應的檢定規程進行檢定和校準,并對測量結果進行修正。
  二是對標準流量計及輔助計量器具的測量結果進行核查。對標準流量計采用實時核查方法,詳見下節;對輔助計量器具采用定期核查,并對出現偏差的輔助計量器具進行校準。對于溫度和壓力變送器可以采用標準器進行核查,也可以用其他變送器進行核查;對于天然氣組分分析結果,采用不同色譜分析儀分析結果計算的壓縮因子或相對密度值進行核查。
  三是加強對工況參數的監控和調整,保證檢定過程中工況參數穩定。
  四是每次檢定過程中都要保證有足夠長的檢定時間。
4幾種流量核查方法的分析和討論
  在標準表法流量標準裝置中,為了監測標準流量計的性能,通常采用流量核查技術,即在標準裝置中安裝不同工作原理的核查標準流量計。一般采用渦輪流量計作為標準流量計,用超聲流量計作為核查標準流量計。常用的流量核查方案有如下幾種:即總量核查、一對一核查和對標準裝置的核查。
4.1標準流量計總量核查法
  總量核查法是在并聯安裝的標準流量計的匯管上游串聯安裝一臺核查超聲流量計CM,檢定用天然氣先流過核查超聲流量計,再流過標準流量計MM和被檢流量計MUT,工作原理見圖2。

4.2標準流量計一對一核查法
  一對一核查法是在每一臺標準流量計的上游都串聯安裝一臺核查超聲流量計,檢定用天然氣先流過核查超聲流量計,再流過標準流量計和被檢流量計,工作原理見圖3。

4.3標準裝置核查法
  標準裝置核查法是在被檢流量計直管段的上游串聯安裝一臺核查超聲流量計,檢定用天然氣先流過標準流量計,再流過核查超聲流量計和被檢流量計。該方案與總量核查法或一對一核查法共同使用會更完善。工作原理見圖4、圖5。

4.4分析和討論
  以上四種流量核查方案均可實現對標準流量計的實時核查,但又各具特色。
  在圖2所示的標準流量計總量核查方案中,所用核查流量計和工藝閥門等設備少,投資少,但對個別流量計的性能變化不能直接判別出來。
  在圖3所示的標準流量計一對一核查方案中,所用核查流量計和工藝閥門等設備多,投資大,但對個別流量計的性能變化能直接準確地判別出來。
  圖4和圖5所示的標準裝置核查方案除具有上述兩種核查方案的特點外,還具有更多的優點:
一是實現了對整體標準裝置的核查,包含了工藝系統的影響,如標準流量計至被檢流量計間的因閥門關閉不嚴可能產生的分流或匯流的影響。
二是可以有效監視檢定工作參數是否穩定。由式(5)和式(6)可見,工況參數變化的影響與標準流量計、被檢流量計或核查流量計間的管容成正比,而圖4和圖5所示方案的管容遠遠大于圖2和圖3方案中的管容,所以,可以更有效地監視檢定工況參數的變化。
三是對核查流量計與被檢流量計示值誤差計算所用的標準流量計參數相同,算法相同,核查流量計與被檢流量計處的工況參數相近,所以可對被檢流量計結果進行更準確的判斷。
5結束語
  對天然氣長輸管道上安裝的流量計檢定時應嚴格控制工況參數的穩定性。保證天然氣流量計檢定結果準確可靠的前提條件是流量標準裝置測量的量值是準確的,工藝設備是完好的,操作條件是穩定的。除了要制定完善的管理辦法,采取有效的技術措施外,增加流量在線實時核查技術是保證檢定數據準確、檢定結論判斷正確的有效措施。

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