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标准钻石娱乐测量天然气误差的技术分析及解决方案

作者: 来源: 发布时间:2018-01-10 09:58:33

        摘要: 文章通过对某化工厂进厂总管天然气流量计与供方标准钻石娱乐的流量误差进行技术分析,查找出误差产生的原因,并针对产生误差原因提出技术改造方案。

 
1 提出问题
       某化工厂 (以下称 “需方”) 天然气总管流量计采用的是经典文丘里流量计,供方天然气计量采用的是超声波流量计,在日常比对中,两者流量计之间一直存在计量偏差,两者之间的偏差最大超过 20%。以 2017 年 7 月份 (每月 26 日结算)数据为例,如表 1 所示。
7 月份供需双方数据表
       供方超声波流量计为进口的超声波流量计,其定期进行过实流检定,即用真实的天然气气体进行检定,根据检定报告的数据可以得知,供方超声波流量计的相对示值误差小于 0. 5%,重复性为 0. 01% ~ 0. 02%; 同时超声波流量计配有相应的流量计算机,进行了温度、压力以及压缩因子等参量的计算修正。由此基本可以判断供方的天然气流量数据为准确值,双方计量的误差原因在于需方天然气总管流量计,本文对此天然气总管流量计进行分析,查找误差产生的原因,并提出解决方案。
 
2 误差原因分析
2. 1 仪表选型
       需方天然气计量采用的是经典文丘里流量计,型式为粗焊铁板型,其规格书参数如下: 操作压力 (表压): 0. 8 MPa; 操作温度 30 ℃; 刻度流量50 000 Nm 3 /h; 最大流量 49 762 Nm 3 /h; 正常流量11 932 Nm 3 /h; 最小流量 1 432 Nm 3 /h; 标准状态20 ℃ /0. 101 325 MPa; 当地大气压 0. 101 4 MPa。
 
       由于经典文丘里流量计属于标准节流装置,所以需方对该流量计没有进行天然气实流检定或校准,采用的是国家标准给出的流出系数值。根据国家标准 GB/T 2624. 4—2006 粗焊铁板型文丘里流出系数 C 为0. 985,相对不确定度等于1. 5%,也就是说只考虑流出系数不考虑其他任何因素,用粗焊铁板型经典文丘里流量计测量流量不确定度就 高 达 1. 5%。同 时 根 据 国 家 标 准 GB/T2624. 4—2006,粗焊铁板型文丘里的雷诺数范围只有 2 ×10 5 ≤Re D ≤2 × 10 6 ,量程比只有 10∶1,根本无法满足规格书中 35∶1 的量程。经典文丘里与标准钻石娱乐、ISA 1932 喷嘴均属于标准节流装置,不需要进行实流检定。根据国家标准 GB/T 2624. 2—2006 标准孔板流出系数 C的相对不确定度如下 (β 为孔径比):当 0. 2≤β≤0. 6 时,流出系数 C 的相对不确定为 0. 5%。也就是在不需要实流检定的情况下,通过几何检定,采用标准钻石娱乐测量天然气的系统不确定度可以达到 1. 0 级,满足天然气计量系统 A 级要求。
 
       根据国家标准 GB/T 2624. 3—2006ISA1932 喷嘴流出系数 C 的相对不确定度如下:当 β≤0. 6 时,流出系数 C 的相对不确定为0. 8%。也就是在不需要实流检定的情况下,通过
几何检定,采用 ISA 1932 喷嘴流量计测量天然气的系统不确定度可以达到1. 5 级,满足天然气计量系统 B 级要求。
 
       综上可知,三种标准节流式流量计,标准钻石娱乐、喷嘴和文丘里之间比较,虽然文丘里在 3 种流量计中压损最小,但不确定度最高,故此处选用文丘里流量计测量天然气非最佳选择。
 
2. 2 仪表安装
       需方天然气总管管道口径 DN400,差压式流量计安装一般前直管段要求不低于 10D,也就是4 m。现场实际文丘里流量计前直管段不足 1 m,严重不满足相关要求,对流量测量的准确度产生影响。
 
天然气流量计算需要温度、压力进行修正,而现场文丘里流量计附近无测温和测压点。实际参与天然气流量计算的温度点、压力点均离流量点很远,无法体现流量点处真实的温度值、压力值,对天然气流量计算的准确度产生影响。
 
2. 3 流量计算
2. 3. 1 可膨胀系数 ε 对流量计量的影响
       经典文丘里流量计属于节流式流量计。节流式流量计的计算如下:
20180110100903.jpg
       式中: q v 为体积流量,m 3 /s; C 为流出系数; ε 为可膨胀性系数; d 为节流件开孔直径,m; D 为管道内径,m; β 为直径比,β = d/D; ρ 1 为被测流体密度,kg/m 3 ; Δp 为差压,Pa。体积流量与 C、ε 等参数相关。粗焊铁板型经典文丘里的流出系数是 0. 985,为固定值。可膨胀系数 ε 是因气体流经节流件时密度产生变化而引入的修正系数,是一个变量,但是很多流量仪表或是 DCS 等上位机系统使用规格计算书中给出的数值,将其作为定值去计算,这是流量误差的一个重要来源。
20180110100927.jpg
       现场文丘里的差压变送器 (差压变送器中开方) 输出4 ~20 mA 电流信号至 DCS 中,通过 DCS系统中的组态及系统中的温度、压力补偿计算,从而把4 ~20 mA 电流信号换算成0 ~50 000 Nm 3 /h。
 
       DCS 中组态公式如下:
20180110100942.jpg
       式中: Q 计 为所求的流量值 (此公式所得的已经是温压补偿后的标况体积流量); Q 设max 为设计的最大流量值 (也为刻度流量值); P 采 为实际采集的工况表压,Ka; P 设绝 为设计的工作绝压,Ka; T 设 为设计的工作温度; T 采 为实际采集的工况温度; I
 
       为差压变送器输出的电流值,mA。在 DCS 系统中的计算仅仅是用理想气态方程进行标方换算,并未考虑可膨胀性系数 ε、天然气密度以及压缩因子的计算和补偿。
 
       假设天然气组分不变,实际工作温度、工作压力与规格计算书中的操作温度、操作压力完全一致,那么当天然气流量低于设计流量时,实际的 ε 大于设计的 ε,导致测量结果偏小; 反之,测量结果偏大,从而导致标准钻石娱乐产生相应的计量误差。
 
2. 3. 2 天然气压缩因子对流量计量的影响
       气体流量计量结果是以工作状态下的体积流量形式给出,由于各个工况不同,需将体积流量转化为统一标准下的体积流量。在压力不高、温度常温的情况下,可以按照理想气体方程进行体积流量换算。然而,实际气体和理想气体总有一定差别,尤其是在管道压力较大或是温度变化较大的情况下,气体并不遵循理想气体状态方程,因此,天然气的压缩因子的计算对标准钻石娱乐计量准确度的影响是不可忽视的,无压缩因子修正计算或修正计算不当都会对天然气流量计量带来严重的数据偏差。在一般输气条件下,天然气的压缩因子是随重组分含量的增加而减小,随压力的增加而减小,随温度的增加而增大。以速度式和容积式流量计为例,选取若干能代表陆上油气田外输交接口的天然气为样品,采用 GB/T 17747 详细组分法分别计算 20 ℃,0. 5 ~6. 0 MPa 下样品的压缩因子,得出不用压缩因子修正或修正不当时引起的误差为:
       (1) 不进行压缩因子修正时,计量结果偏低,误差范围为 -0. 75% ~ -22. 62%。
       (2) 当以 SY/T 6143—1996 中例举的天然气进行修正时,计量结果视组分的轻重或偏高或偏低,误差范围为 -3. 67% ~5. 56%。
 
2. 3. 3 差压值的准确性
       经典文丘里作为差压式流量计,差压值的准确与否直接关系到流量计算是否准确。现场选用的是 0 ~100 kPa 量程的差压变送器,但是设计的刻度流量对应的差压值为25 kPa。也就是在实际使用中测量到的差压值靠近差压变送器的工作下限,而常用流量的差压值只有差压变送器刻度量程的1%,1 kPa 左右,很难满足差压值准确测量的要求。
 
3 解决方案
由于现场需方天然气总管没有设计旁路,且开工期间无法中断天然气供料,所以解决方案只能是在不更换一次元件文丘里管的前提下进行改造,提高计量准确度。也就是说,仪表选型和仪表安装引起的流出系数不确定度和直管段不足造成的不确定度无法解决。具体方案如下:
(1) 增加一个低量程差压变送器,提高小差压值测量精度,由两台差压变送器实现规格书的35∶1 的量程比。
(2) 配备专门的流量计算转换单元用于天然气流量计算。流量计算转换单元采集两个差压变送器的差压信号,可以根据设置值自动在两个差压信号间进行无缝切换以增大量程比,同时完成文丘里可膨胀系数 ε、天然气压缩因子等参数的实时逐点运算。天然气流量计算符合 ISO 5167—2003(E)、GB/T 21446—2008 等标准; 天然气压缩因子计 算 符 合 GB/T 17747. 2—1999 标 准 ( 等 同AGA8 号报告); 天然气发热量计算符合 GB/T11062—1998 标准。
(3) 为了减少改造施工量,现场差压信号采用 Hart 传输方式。将现场两台差变并联在一起,通过两线制将差压信号传输给流量计算转换单元即可,无需重新敷设线缆,同时流量计算转换单元通过 Hart 协议读取管道压力值用于压力补偿,解决文丘里流量计附近无压力测量点的问题。
(4) 由于现场无法在文丘里流量计附近安装测温元件,只能就近取该管道温度信号传输给流量计算转换单元用于温度补偿。
(5) 由于天然气属于变组分气体,需要定期更新组分将其输入到流量计算转换单元中用于天然气密度、压缩因子等参量的计算。

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