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流體組分和脈動流對渦輪流量計精度度影響
发布时间:2021-3-22 08:26:45

  随着国内天然气市场需求不断增加,天然气对外依存度持续走高,对国内天然气的自采量增幅提出了更高的要求。山西的非常规天然气资源总量约占全 国的1/3,煤层气资源丰富,2020年全省煤层气开采量达到1×1010m3/a,在2025年将达到2×1010m3/a。渦輪流量計由流体推动叶轮 旋转,从而产生与流量成正比的电脉冲信号,具有精度高、重复性好、测量范围广等诸多优点。在天然气计量的应用中,被测介质的黏度、密度、脏污程度、管道安 装结构、脉动流和组分等在不同的场所各不相同,综合各种影响因素后对渦輪流量計的计量准确度造成较大影响。为此,有必要结合实地情况采取必要的计量修正措 施,确保渦輪流量計计量精度,为公平交易奠定坚实的基础。
  山西省A分输站(上游供气公司)自2011年开始向B分输站(下游用气公司)供气以来,供气长期受正供销差困扰,始终未得以彻底解决(A分输 站至B分输站长输管线长度约为2km)。为此,以A分输站长期贸易计量交接的渦輪流量計为对象进行研究。该渦輪流量計距离上游非常近压缩站仅7km,且地 形地势特征高差较大,在全省非常规天然气上下游计量交接中具有代表性。综合各种影响因素的分析可知,气体组分和脉动流对计量的精度有较大影响。本文通过实 际数据对比、AGA8-92DC方法和脉动流定性影响分析对计量偏差进行研究,是山西省非常规天然气公平贸易的一项非常有意义的课题。
1渦輪流量計计量和换算原理
1.1計量原理
  流体通过渦輪流量計时,流速被转换为涡轮的转速,转速再被转换成与流量成正比的电信号,非常后在计数器上进行显示和累计。目前,绝大多数涡轮 流量计都为一体化智能流量计,除上述机械计量部分外,还包括1台体积计算仪,依据实测工况流量、取压口实测压力、测温口实测温度及内部设定的一些固定参数 进行计算,将工况体积转换为可贸易交接的天然气体积,其原理如图1所示。
渦輪流量計计量原理图示
1.2換算原理
1.2.1工作條件下的體積流量計算實用公式
  工作條件下的體積流量計算實用公式如式(1)所示:

  式(1)中,qf爲工作條件下的體積流量,m3/s ;f爲輸出工作頻率,Hz,由頻率計采集 ;k爲系數,m-3,可按流量計銘牌給定值。

1.2.2標准參比條件下的體積流量換算實用公式
  標准參比條件下的體積流量換算實用公式如式(2)所示:

  式(2)中,qn为标准参比条件下的体积流量,m3/s ;pf为工作条件下的绝对静压力,MPa ;pn为标准参比条件下的绝对静压力, MPa ;Tn为标准参比条件下的热力学温度,K ;Tf为工作条件下的气体绝对温度,K ;Zn为标准参比条件下的气体压缩因子 ;Zf为工作条件下的气体压缩 因子。
  工作条件下的压力和温度的准确度取决于测量仪表。标准参比条件下的绝对静压力为101.325kPa,热力学温度为293.15K。输出工作 频率由频率计采集得到。在不考虑测量仪表测量误差的基础上,研究范围可进一步缩小,可主要从天然气组分对计量的影响和脉动流对计量的影响两方面进行研究 [1]。
2天然氣組分對計量的影響
2.1條件設定
  非常规天然气与天然气相同,也是一种混合物,主要成分是烷烃,绝大多数是CH4,也含有少量非烃类气体,其组分在各采气区各不相同,但作为影 响气体压缩因子的因素之一,目前在山西省的计量交接点处很少进行在线分析,一般是在体积计算仪中输入默认组分比例作为换算的依据(设计组分)。
  气体压缩因子Zn在标准参比条件下受介质组分变化影响极。ń朴1),但在高压输气条件下,工作条件下的气体压缩因子Zf受组分影响会发生 较大变化。山西省非常规天然气的组分与典型的天然气组分(设计组分)相比有较大变化,在高压输送计量中,气体压缩因子的变化对计量准确度的影响已超出了其 本身的计量精度,其影响不可忽略。A分输站2020年9月24日11:06的运行参数如表1所示。

2.2組分數據
  設計組分選取典型天然氣組分,如表2所示。非常規天然氣實際組分以A分輸站曆年實際氣質檢測報告結果爲依據,如表3所示。
2.3理論分析組分對氣體壓縮因子的影響
  压缩因子的求得方式有很多种,包括仪器、理论计算方程、凭借经验公式估算、Standing-Katz确定等[2]。GB/T17747.1 —2011《天然气压缩因子的计算第1部分:导论和指南》推荐用AGA8-92DC和SGERG-88法。所研究分析的介质已有历年详细的气质组分,同时 考虑AGA8-92DC法精确度较高,因此选用AGA8-92DC法并通过VisualBasic编写程序进行计算。


  依據表2典型天然氣組分和實際運行參數計算Zn/Zf,計算結果爲1.0864,輸入及輸出結果如圖2所示。

  依據表3非常規天然氣實際組分和實際運行參數計算Zn/Zf,計算結果如表4所示。

  通過對比分析,采用設計組分計算時氣體壓縮因子比值爲1.0864,而采用實際組分計算時爲1.0613,偏差爲2.365%。由此可知,不調整設計組分會導致正2.365%的供銷差。
2.4實際供銷差數據
2011—2019年實際供銷差如表5所示。

2.5天然氣組分對計量結果的影響
  将理论计算与实际供销差数据进行对比,结果相近,由此可知在假设条件和不考虑其他影响因素时,受非常规天然气组分的影响,计量值偏大,正偏差 值约为2.28%,对下游接气单位不利,给下游单位的供销差管理造成不利后果。
3脈動流對計量的影響
  脈動流的成因有很多,如在緊鄰增壓機出口處、控制閥頻繁操作時、管線振蕩時和管線中有漩渦等,有時壓力和溫度探測器産生的渦街也會形成脈動流。其特性是介質流動不穩定,但周期性變化,流體在加速或減速過程中會影響葉輪旋轉速,但葉輪旋轉相對滯後,通俗可理解爲“慣性”,由此對流量計的准確計量造成一定的影響。
3.1流量測量
  现阶段,脉动流的直接测量还存在很大困难,但可通过误差方程分析、实验室试验和专业的脉动流量误差检测设备检测分析某一特定脉动流的测量误 差。前两种方法基于脉动流的振幅和频率的可测量性,振幅和频率的测量可通过激光多普勒技术、热线风速仪法等。专业的脉动流量误差检测设备已有设备制造厂家 在生产。
3.1.1誤差方程分析
  通过对机翼理论的研究,可列出涉及惯量、夹角、叶轮半径、角速度等参数的误差运动方程,通过编程可求得针对某一特定渦輪流量計的不同振幅和频 率脉动流的测量误差[3]。依据动量守恒定律,可列出包含流速、切线速度等参数的非线性微分方程,通过计算和分析可理论推导测量误差[4]。
3.1.2實驗室試驗
  現場實測脈動流的特性,采用已知標准體積壓縮空氣,在實驗室模擬脈動流,將測量值與標准體積進行對比,分析測量誤差。
3.1.3誤差檢測設備檢測
  一种燃气脉动流误差检测设备,可较精确地测得脉动误差值,但暂未在山西省广泛应用。在绝大多数燃气公司的实 际运行管理过程中,脉动流的特性参数无法在日常运行监测数据中获取,因此,主要定性地说明脉动流对渦輪流量計计量偏差的影响。
3.2測量誤差
  已有很多学者针对脉动流对计量的影响进行了研究。分析结果可知,由于叶轮受流体加速影响小,受流体减速影响大,计量始终存在正供销差。此外, 正供销差取决于脉动流的振幅和频率,整体来说,如果脉动流频率大于叶轮角频率时正供销差值较大,脉动振幅增大时正供销差值也随之增大。
3.3脈動流對計量結果影響
A分输站渦輪流量計距离上游非常近的压缩站(往复式压缩机增压)不到7km,且该分输站工艺布置紧凑。据实地测量,流量计上游直管段长度约为 6Dn(Dn为渦輪流量計口径,mm),下游直管段长度约为4Dn。此外,7km管道沿线地势高低不平,加之煤层气气质水含量较大,导致在低洼处极易形成 积液,积液也会造成脉动流。2014年8—10月期间,下游公司发现正供销差持续增大时,对A分输站和B分输站的渦輪流量計进行了标定,但标定结果均为合 格。随后下游公司在2014年11月5—7日对A至B分输站段管线进行了清管作业,共清出污水杂质约23t,清管完成后正供销差明显减小。清管前后实际供 销差数据如表6所示。

  除此之外,通过日常运行监测,供气瞬时流量每次显示数据都在变化,且在一定时间内在1个值上下频繁波动(波动幅度约为±20%)。综合上述情 况,该输气管道存在脉动流的可能性很大。脉动流会造成正供销差影响,对下游接气单位不利,因此有必要对脉动流的影响进行修正。
4結語
  目前,山西省绝大多数分输站未安装在线色谱仪,且直接测量脉动流流量的计量表还未被广泛应用于实际生产中。探究表明,山西省非常规天然气的组 分和脉动流输气均会使渦輪流量計产生无法通过定期检定来消除的正向系统误差。因此,为确保作为上下游贸易交接依据的计量表测量的精度,保证公平交易,可通 过误差分析修正、组分修正、优化工艺等方式对现涡轮流量直接测量结果进行修正。
a)天然气组分影响的修正建议。结合实际工况条件,合理调整渦輪流量計的压缩因子和天然气组分 ;当精度要求较高时,采取安装在线分析仪的方式实时更新流量计参数。
b)脈動流影響的修正建議。通過工藝優化、改造,使流體通過流量計時基本穩定 ;選定合適的流量計型號 ;實測脈動流特性,理論計算或實驗室試驗分析測量誤差,與結算方進行誤差修正 ;采用誤差測量設備對測量誤差進行測量和修正,並以此作爲結算依據。

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