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孔板流量計(jì)在油田天然氣計(jì)量上的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2019-10-10

摘要:文章結(jié)合孔板流量計(jì)的基本原理及主要特性,闡述孔板流量計(jì)在天然氣計(jì)量上的應(yīng)用情況,總結(jié)問(wèn)題,探討解決方法,為今后在設(shè)計(jì)中使用孔板流量計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。
0引言
  孔板流量計(jì)是目前世界上應(yīng)用范圍最為廣泛的流量計(jì)量?jī)x表之一。所有單相流體都可以測(cè)量。由于應(yīng)用歷史悠久,在試驗(yàn)研究中積累的豐富資料和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),用干標(biāo)的方法即可保證流量計(jì)計(jì)量精度,這在所有流量?jī)x表中是唯一的。多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流對(duì)比證明,孔板流量計(jì)工作非常穩(wěn)定可靠。
  孔板流量計(jì)在天然氣計(jì)量方面應(yīng)用廣泛,目前全國(guó)許多油氣田、長(zhǎng)輸管道的天然氣交接計(jì)量都采用孔板流量計(jì)完成,到現(xiàn)在已經(jīng)形成了許多應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),值得總結(jié)探討。
1孔板流量計(jì)類(lèi)型
  目前廣泛使用的孔板一次裝置分為兩種,一種是簡(jiǎn)易孔板截流裝置,一種是高級(jí)孔板閥。
  簡(jiǎn)易孔板截流裝置:無(wú)孔板升降機(jī)構(gòu),必須停止介質(zhì)輸送才能完成孔板檢查及更換,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低。
  高級(jí)孔板閥:精度比簡(jiǎn)易孔板截流裝置高,檢查、更換孔板、維修時(shí)可以不停止生產(chǎn),在線(xiàn)進(jìn)行,由于具有孔板升降機(jī)構(gòu),能夠很快在線(xiàn)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(dòng)過(guò)程中,在一定條件下,流體的動(dòng)能和靜壓能(壓力能)可以互相轉(zhuǎn)換,并可以利用這種關(guān)系來(lái)測(cè)量流體的流量1。
  介質(zhì)流經(jīng)管道中孔板所在的截面時(shí),由于流通面積突然縮小,促使流束產(chǎn)生局部收縮,流速加快,靜壓力降低,因而在孔板前后出現(xiàn)壓力差(簡(jiǎn)稱(chēng)差壓)。可以通過(guò)測(cè)量此差壓的大小按一定的函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算出流量值。根據(jù)能量守恒定律及流體連續(xù)性原理,節(jié)流裝置的流量方程可以寫(xiě)成:

  式中,M為質(zhì)量流量,kg/s;Q為體積流量,m3/s;ɑ為流量系數(shù);?為流量膨脹系數(shù);F0為節(jié)流裝置開(kāi)孔截面積,m2;ρ1為流體流經(jīng)節(jié)流元件前的密度,kg/m3;Δρ為節(jié)流元件前后壓力差,即Δρ=ρ1-ρ2,Pa。
  由式(1)和(2)可見(jiàn),天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置(孔板)時(shí)的體積(質(zhì)量)流量與產(chǎn)生的差壓平方根成正比。基于此原理,孔板流量計(jì)通過(guò)測(cè)量孔板前后差壓,經(jīng)過(guò)計(jì)算換算出天然氣的流量。
3孔板流量計(jì)的選型和安裝
3.1孔板流量計(jì)選型
  我們所說(shuō)的孔板流量計(jì)實(shí)際上是許多儀表組成的一個(gè)整體,其選型包括高級(jí)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(jì)的選型最基本內(nèi)容即是通過(guò)計(jì)算獲得孔板片標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)2的計(jì)算軟件,其計(jì)算步驟簡(jiǎn)述如下:
1)輔助計(jì)算:
  首先設(shè)計(jì)人員根據(jù)管道介質(zhì)流量確定d20,即20℃條件下檢測(cè)的測(cè)量管直徑(孔板閥孔徑)。需要注意的是在滿(mǎn)足計(jì)量能力的條件下,應(yīng)選擇內(nèi)徑較小的測(cè)量管,提高差壓和孔徑比。
計(jì)算天然氣真實(shí)相對(duì)密度、密度、壓縮因子和超壓縮系數(shù)。
計(jì)算天然氣等熵指數(shù)、動(dòng)力粘度。
計(jì)算管徑雷諾數(shù)。
2)計(jì)算順序:
計(jì)算近似值
  將β近似值帶入工時(shí)最終求出值(孔徑比)和d值(開(kāi)孔直徑),進(jìn)而求出d20,即孔板在20℃條件下測(cè)量出的孔徑值。
  需要注意的是,由于單片孔板量程比只能達(dá)到1:3,最多不超過(guò)1:4,因此對(duì)于流量范圍較大的工況,可將流量值分作2~3段,分別計(jì)算出口徑從大到小的2~3片孔板。
  結(jié)合孔板閥孔徑、孔板開(kāi)孔直徑和介質(zhì)工藝條件,就可以計(jì)算出ΔPmax和ΔPmin。
  計(jì)算完畢后,結(jié)合工藝介質(zhì)條件即可選擇適合設(shè)計(jì)工況的高級(jí)孔板閥和孔板片,并可確定差壓檢測(cè)范圍,再根據(jù)工況確定壓力、溫度補(bǔ)償儀表的測(cè)量范圍,孔板閥的選型就完成了。
3.2孔板流量計(jì)的安裝
  孔板流量計(jì)的安裝調(diào)校,必須嚴(yán)格按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446-2008進(jìn)行。
1)直管段的要求
  速度式流量計(jì)都有前后直管段的安裝要求,用以起到被測(cè)流體穩(wěn)流的作用,孔板流量計(jì)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(guò)查詢(xún)GB/T21446-2008來(lái)確定直管段長(zhǎng)度,GB/T21446-2008規(guī)定了各種阻流件要求的最短直管段長(zhǎng)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(zhǎng)度,因此該標(biāo)準(zhǔn)也推薦采用整流器。
  根據(jù)規(guī)范的要求,目前我們的設(shè)計(jì)中均在孔板上游設(shè)置了流動(dòng)調(diào)整器,按照規(guī)范規(guī)定,在孔板上游13D(孔板閥內(nèi)徑)處安裝整流器,再保證30D的前直管段的情況下,可以滿(mǎn)足任何上游阻流件下的安裝,目前這樣的直管段配置已經(jīng)在設(shè)計(jì)中普遍采用,相對(duì)而言,后直管段的確定則比較簡(jiǎn)單,僅僅由直徑比確定,直管段安裝如圖1所示。
孔板流量計(jì)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(nèi)徑不完全一樣的情況,這樣會(huì)形成一個(gè)凸臺(tái),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),10D之外臺(tái)階h不超過(guò)2%的圓度要求即可。
  管段必須是直的,當(dāng)與管道直線(xiàn)的偏移不超過(guò)其長(zhǎng)度的0.4%時(shí),即認(rèn)為管道是直的。通常只需目測(cè)檢驗(yàn),上下游直管段對(duì)接引起的管道直線(xiàn)的偏差也應(yīng)不超過(guò)其長(zhǎng)度的0.4%。
2)孔板安裝要求
  孔板應(yīng)與節(jié)流裝置中的直管段對(duì)中。實(shí)驗(yàn)表明,孔板偏心引起的計(jì)量誤差一般在2%以?xún)?nèi),孔徑比值愈高,偏心率影響愈大,應(yīng)不用值高的孔板。
  不能使孔板發(fā)生彎曲或變形,否則將導(dǎo)致流量測(cè)量誤差較大。在法蘭取壓的孔板上進(jìn)行測(cè)試,孔板彎曲產(chǎn)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(yīng)盡量短,這樣便于保溫和防凍,同時(shí)因具有一定斜度,使天然氣中產(chǎn)生的凝液不致在變送器側(cè)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(guò)0.5mm,墊片不能突出管壁內(nèi)否則可能引起很大的測(cè)量誤差。
凡是調(diào)節(jié)流量用的閥門(mén),應(yīng)裝在節(jié)流件后最小直管段長(zhǎng)度以外。
節(jié)流裝置在工藝管道上的安裝,必須在管道清洗吹掃后進(jìn)行。
4存在問(wèn)題及解決方法
4.1存在的問(wèn)題
1)儀表本身計(jì)量精度問(wèn)題
  盡管孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越完善,但由于設(shè)備、測(cè)量?jī)x表本身的原因和自動(dòng)計(jì)量技術(shù)上的局限性,在提高計(jì)量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理上,仍存在一些問(wèn)題。
  測(cè)量的重復(fù)性、精確度在流量計(jì)中屬于中等水平,孔板流量計(jì)在流體較為干凈、直管段較長(zhǎng)、流體處于紊流狀態(tài)(雷諾數(shù)大于4000)時(shí),測(cè)量精度較高。但由于氣質(zhì)、計(jì)量直管段沒(méi)有達(dá)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(cè)量誤差。
2)量程比問(wèn)題
  孔板流量計(jì)測(cè)量范圍太窄,這是此種流量計(jì)應(yīng)用上的最大不足,由于儀表信號(hào)(差壓)與流量為平方關(guān)系,一般測(cè)量范圍度僅3∶1~4∶1。
3)安裝問(wèn)題
現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高,需要較長(zhǎng)的直管段,在工程中有時(shí)難以滿(mǎn)足。
孔板閥與差壓、壓力檢測(cè)儀表之間引壓管線(xiàn)易產(chǎn)生泄漏、凍堵等問(wèn)題。
4)使用中產(chǎn)生的問(wèn)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(wèn)題都會(huì)影響到計(jì)量精度。
4.2解決天然氣計(jì)量問(wèn)題的途徑
1)保證安裝質(zhì)量,勤于維護(hù)
  可以看到,很多安裝和維護(hù)的問(wèn)題往往影響到孔板流量計(jì)測(cè)量精度,因此安裝時(shí)必須嚴(yán)格按要求施工,消除安裝誤差。在使用過(guò)程中,操作人員應(yīng)做好系統(tǒng)的檢修、維護(hù)、保養(yǎng)工作,延長(zhǎng)其使用壽命,對(duì)于實(shí)際使用中的壓力、溫度、流量等工況參數(shù)的變化,應(yīng)進(jìn)行及時(shí)修改以減小計(jì)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(diǎn),運(yùn)用軟件的方式實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)調(diào)整(軟維護(hù)),從而擴(kuò)大量程比,提高測(cè)量的有效范圍,保證計(jì)量的準(zhǔn)確性
采用雙差壓變送器
  為同一臺(tái)孔板閥配套兩臺(tái)差壓變送器,根據(jù)實(shí)際差壓的變化,切換差壓信號(hào),從而擴(kuò)大量程比,提高測(cè)量的有效范圍,保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。
采用多路計(jì)量的方式
  針對(duì)天然氣流量檢測(cè)范圍,設(shè)計(jì)兩套及以上不同口徑的孔板流量計(jì),根據(jù)流量峰值和低谷的時(shí)間段,手動(dòng)或自動(dòng)切換介質(zhì)流路,實(shí)現(xiàn)寬量程的計(jì)量。
5結(jié)束語(yǔ)
  孔板流量計(jì)已經(jīng)應(yīng)用多年,在總結(jié)問(wèn)題的基礎(chǔ)上得出更加科學(xué)可靠的設(shè)計(jì)、使用方法十分重要。隨著流量計(jì)算機(jī)、組份分析儀的成功應(yīng)用,孔板流量計(jì)作為一種可靠、經(jīng)濟(jì)和方便耐用的儀表設(shè)備仍然可以適用未來(lái)能量交接的計(jì)量場(chǎng)合,潛力依舊可觀。

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