柴達木盆地是中國石油天然氣股份有限公司重要的氣區之一,其中澀北氣田是青海氣區天然氣生產的主戰場,目前已建有澀一寧一蘭、澀一格、澀一仙一敦等數條輸氣管道。
在2007年以前建設的天然氣貿易交接計量系統中,跟國內其他氣田一樣,絕大部分都是采用標準孔板計量方式,但是,由于標準孔板計量方式存在量程比小(僅為3:1)、精度低、壓損大、對安裝條件要求苛刻等缺點,在貿易交接計量中應用越來越少,青海油田從2007年至今,重要的天然氣貿易計量系統全部采用多通道超聲波流量計。
2.標準孔板與超聲波流量計計量方式比較
標準孔板流量計測量原理:當充滿管道的流體流經管道內的節流件時,將在節流件處形成局部收縮,因而流速增加,靜壓力降低,于是在節流件前后便產生了壓差。流體流量愈大,產生的壓差愈大,這樣可依據壓差來衡量流量的大小。這種計量方法是以流動連續性方程(質量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎的,壓差的大小不僅與流量有關,還與其他許多因素有關,例如當節流裝置形式或管道內流體的物理性質(密度、黏度)不同時,在同樣大小的流量下產生的壓差也是不同的。以伯努利方程式和流體流動的連續性方程式為依據,天然氣流量計算公式是:
Vn=Vf*PfTnZn/PnTfZf
根據氣體易壓縮、密度差異大、受溫度影響大的特點,得出天然氣流量計量的實用公式是：
On =Aha0yrebkFred2 FgFaFzFt√ p1hw
式中:Qnー標準狀態下氣體體積流量,Nm3/h
Ahー常數,標況下為0.008686
a0ー特定流量系數;
yreー計量管內壁流量修正系數;
bkー孔板人口邊緣銳利度修正系數;
Frー雷諾數修正系數;
eー氣體膨脹系數;
dー孔板在20℃下實測的開孔口徑,m
Faー孔板熱膨脹修正系數
Fgー一天然氣相對密度修正系數;
Fzー超壓縮系數;
Ftー流體流動溫度修正系數;
P1ー孔板上游側絕對壓力,MPa;
hw氣體流過孔板時的差壓,MPa
1)無可動部件,堅固耐用,檢定容易;
2)應用歷史悠久,標準規定全,技術成熟;
3)制造相對容易,價格便宜。
孔板流量計的主要缺點
1)測量范圍(量程比)窄,量程比為3:1,且合理使用的流量是滿量程的30%~80%;
2)壓力損失大;
3)計量準確度受安裝條件影響很大;
4)前后安裝直管段要求長,占地面積大
5)計量準確度受人為因素影響大;
6)不能直接讀出計量結果,使用不便;
7)節流裝置容易產生堵塞、結垢、磨損、腐蝕等現象,這些都會帶來附加誤差。
超聲波流量計測量原理:讓聲脈沖在管道內向逆流和順流沿斜線方向傳播,如圖1所示,分別測量它們的時間,其傳播時間差與氣體的軸向平均流速
有關,從而使用數學計算技術計算出在工作條件下通過氣體超聲流量計的氣體軸向平均流速和流量。
天然氣流量計算公式是:
Qn=VA(Pf/Pn)(Tn/Tf)(Zn/Zf)
式中:Qnm標準狀態下氣體體積流量,Nm3/h;
Vー天然氣流過流量計的平均流速,m/s;
Aー天然氣流過流量計的流通面積,m2
Pfー工作狀態下的絕對靜壓力,MPa
Pnー標準狀態下的絕對壓力,其值為0.101325MPa;
Tnー標準狀態下的熱力學溫度,其值為293.15K
Tfー工作條件下的熱力學溫度,其值為293.15K;
Znー標準狀態下的壓縮因子,按CB/T17747計算得出;
Tfー工作條件下的壓縮因子,按CB/T1747計算得出。
超聲波流量計優點
1)測量范圍(量程比)寬,量程比為100:1(0.330m/s),絕大部分工況都可滿足;
2)計量精度高,4聲道流量計精度可以達到士0.5%,6聲道流量計精度可以達到±0.25%;
3)流量計前后直管段要求低,一般要求前10D后5D即可
4)高抗干擾性:內置數字濾波器,過濾各種噪音,保證測量數據的準確性。
超聲波流量計缺點
1)制造成本高,無國產設備,進口設備價格昂貴,價格相當于孔板計量系統10倍以上,導致工程投資大大增加;
2)標定困難,必須定期送到定點標定機構標定,目前國內只有南京和四川華洋兩個標定站。
超聲波流量計的突出優點是量程比寬,100:1的量程比幾乎適應所有的工況變化要求。在實際工程應用中,有時氣量變化非常大,用孔板計量時不得
不用多路不同大小規格的孔板搭配使用才能滿足工況變化要求,給設計、安裝、運行等都帶來極大不便。
超聲波流量計的另一個突出優點是測量精度高,4聲道流量計精度可以達到±0.5%,而標準孔板計量也只能達到1%,在貿易計量中,計量準確度是買賣雙方關心的技術指標,也正是基于這一點,標準孔板計量有被超聲波計量取代的趨勢。
3.超聲波流量計選擇
作為貿易計量,為了滿足精度要求,必須選用多通道超聲波流量計。目前,市場上多通道超聲波主要有24、5和6聲道技術,2聲道流量計精度只能
保證在1%,4、5聲道流量計精度可以做到0.5%,6聲道流量計精度可以達到0.25%?？紤]到精度因素,2聲道流量計應用較少,由于4、5聲道流量計性
價比高,是目前市場上的主流,但是最近兩年,由于
6聲道流量計具有無可比擬的技術優勢,逐漸被用戶認可。6聲道超聲波流量計一共使用了在3個平行平面的6個聲道來進行測量,每個平行平面上,有2個聲道相互交又,如圖2所示。聲道是根據高斯一切比雪夫( Gauss- Chebyshev)理論進行排列,所以甚至在不對稱、渦流的情況下也可以保證對流速的ZUI佳測量。
6.聲道超聲波流量計性能特點:
1)與4、5聲道流量計相比,以特別方式排列的6聲道超聲波流量計有以下決定性的優點:
(1)抗干擾性。根據高斯-切比雪夫( Gauss Chebyshev)理論排列聲道,并且聲道相互交叉,使流
量計很大程度上不受氣體流型的影響。因此,可以不需要整流器甚至在氣體流動受到渦流、不對稱等干擾的情況下也可以實現高精度的測量。
(2)冗余性。如果其中任何一個或兩個聲道失效,6聲道流量計將通過內置聲道重新構造的計算模型,保證計量精度滿足規范要求,流量計將不會失去計量能力。
2)由于傳感器以100kHz的頻率運行,這就使得流量計能夠對流速高達40m/s的氣體進行測量,
所以6聲道超聲波流量計可以應用到流速非常高的場合。
3)6聲道超聲波流量計的精度為±0.25%,滿足貿易計量要求。其本身基本的聲道幾何排列、六聲道技術和高聲波頻率等特性,使得氣體超聲波流量計可以實現高精度測量。
4)幾乎沒有壓力損失,只要管道的橫截面內部沒有安裝元器件,那么實際上就沒有壓力損失。
5)可以實現雙向測量,流量計自動檢測氣體流向,可以在兩個方向上測量而且分別累計計量。
6)對污物不敏感,因為測量不需要聲波反射,在管壁上堆積的污物對超聲波脈沖不起作用,并且鈦金屬傳感器表面是防污垢的,這樣就減弱了污物等因素對流量計造成的影響。
7)不受壓力變化約束,因為氣體流速是直接測量且測量不需要靠流體機械力作用來完成。
由于6聲道超聲波流量計具有優良的測量性能,同時隨著市場價格的回落,必將成為天然氣貿易計量中的主流儀表。
4.現場應用
目前,青海油田天然氣外輸貿易計量系統中,已安裝20套多通道超聲波流量計,經過近幾年的運行,從生產單位反映的情況看,多通道超聲波流量計計量準確、可靠,實現了日常的“零維護”,保障了貿易交接雙方的利益,流量計的工作情況令貿易交接雙方均比較滿意。
5.結束語
多聲道氣體超聲波流量計由于具有測量精度高、測量范圍寬、抗干擾性強、無壓損、超載安全、雙向測量、測量的影響因素少等優點,完全適用于天然氣貿易計量,有效地提高了氣田外輸天然氣計量技術水平,保證了天然氣計量準確可靠和公平公正,避免了貿易計量糾紛。