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

        隨著國內天然氣市場需求不斷增加,天然氣對外依存度持續走高,對國內天然氣的自采量增幅提出了更高的要求。山西的非常規天然氣資源總量約占全 國的1/3,煤層氣資源豐富,2020年全省煤層氣開采量達到1×1010m3/a,在2025年將達到2×1010m3/a。渦輪流量計由流體推動葉輪 旋轉,從而產生與流量成正比的電脈沖信號,具有精度高、重復性好、測量范圍廣等諸多優點。在天然氣計量的應用中,被測介質的黏度、密度、臟污程度、管道安 裝結構、脈動流和組分等在不同的場所各不相同,綜合各種影響因素后對渦輪流量計的計量準確度造成較大影響。為此,有必要結合實地情況采取必要的計量修正措 施,確保渦輪流量計計量精度,為公平交易奠定堅實的基礎。
        山西省A分輸站(上游供氣公司)自2011年開始向B分輸站(下游用氣公司)供氣以來,供氣長期受正供銷差困擾,始終未得以徹底解決(A分輸 站至B分輸站長輸管線長度約為2km)。為此,以A分輸站長期貿易計量交接的渦輪流量計為對象進行研究。該渦輪流量計距離上游非常近壓縮站僅7km,且地 形地勢特征高差較大,在全省非常規天然氣上下游計量交接中具有代表性。綜合各種影響因素的分析可知,氣體組分和脈動流對計量的精度有較大影響。本文通過實 際數據對比、AGA8-92DC方法和脈動流定性影響分析對計量偏差進行研究,是山西省非常規天然氣公平貿易的一項非常有意義的課題。
      1渦輪流量計計量和換算原理
      1.1計量原理
        流體通過渦輪流量計時,流速被轉換為渦輪的轉速,轉速再被轉換成與流量成正比的電信號,非常后在計數器上進行顯示和累計。目前,絕大多數渦輪 流量計都為一體化智能流量計,除上述機械計量部分外,還包括1臺體積計算儀,依據實測工況流量、取壓口實測壓力、測溫口實測溫度及內部設定的一些固定參數 進行計算,將工況體積轉換為可貿易交接的天然氣體積,其原理如圖1所示。
      渦輪流量計計量原理圖示
      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為工作條件下的體積流量,m3/s;f為輸出工作頻率,Hz,由頻率計采集;k為系數,m-3,可按流量計銘牌給定值。

      1.2.2標準參比條件下的體積流量換算實用公式
        標準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為標準參比條件下的體積流量,m3/s;pf為工作條件下的絕對靜壓力,MPa;pn為標準參比條件下的絕對靜壓力, MPa;Tn為標準參比條件下的熱力學溫度,K;Tf為工作條件下的氣體絕對溫度,K;Zn為標準參比條件下的氣體壓縮因子;Zf為工作條件下的氣體壓縮 因子。
        工作條件下的壓力和溫度的準確度取決于測量儀表。標準參比條件下的絕對靜壓力為101.325kPa,熱力學溫度為293.15K。輸出工作 頻率由頻率計采集得到。在不考慮測量儀表測量誤差的基礎上,研究范圍可進一步縮小,可主要從天然氣組分對計量的影響和脈動流對計量的影響兩方面進行研究 [1]。
      2天然氣組分對計量的影響
      2.1條件設定
        非常規天然氣與天然氣相同,也是一種混合物,主要成分是烷烴,絕大多數是CH4,也含有少量非烴類氣體,其組分在各采氣區各不相同,但作為影 響氣體壓縮因子的因素之一,目前在山西省的計量交接點處很少進行在線分析,一般是在體積計算儀中輸入默認組分比例作為換算的依據(設計組分)。
        氣體壓縮因子Zn在標準參比條件下受介質組分變化影響極。ń朴1),但在高壓輸氣條件下,工作條件下的氣體壓縮因子Zf受組分影響會發生 較大變化。山西省非常規天然氣的組分與典型的天然氣組分(設計組分)相比有較大變化,在高壓輸送計量中,氣體壓縮因子的變化對計量準確度的影響已超出了其 本身的計量精度,其影響不可忽略。A分輸站2020年9月24日11:06的運行參數如表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分輸站歷年實際氣質檢測報告結果為依據,如表3所示。
      2.3理論分析組分對氣體壓縮因子的影響
        壓縮因子的求得方式有很多種,包括儀器、理論計算方程、憑借經驗公式估算、Standing-Katz確定等[2]。GB/T17747.1 —2011《天然氣壓縮因子的計算第1部分:導論和指南》推薦用AGA8-92DC和SGERG-88法。所研究分析的介質已有歷年詳細的氣質組分,同時 考慮AGA8-92DC法精確度較高,因此選用AGA8-92DC法并通過VisualBasic編寫程序進行計算。


        依據表2典型天然氣組分和實際運行參數計算Zn/Zf,計算結果為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為1.0864,而采用實際組分計算時為1.0613,偏差為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
        將理論計算與實際供銷差數據進行對比,結果相近,由此可知在假設條件和不考慮其他影響因素時,受非常規天然氣組分的影響,計量值偏大,正偏差 值約為2.28%,對下游接氣單位不利,給下游單位的供銷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產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,但葉輪旋轉相對滯后,通俗可理解為“慣性”,由此對流量計的準確計量造成一定的影響。
      3.1流量測量
        現階段,脈動流的直接測量還存在很大困難,但可通過誤差方程分析、實驗室試驗和專業的脈動流量誤差檢測設備檢測分析某一特定脈動流的測量誤 差。前兩種方法基于脈動流的振幅和頻率的可測量性,振幅和頻率的測量可通過激光多普勒技術、熱線風速儀法等。專業的脈動流量誤差檢測設備已有設備制造廠家 在生產。
      3.1.1誤差方程分析
        通過對機翼理論的研究,可列出涉及慣量、夾角、葉輪半徑、角速度等參數的誤差運動方程,通過編程可求得針對某一特定渦輪流量計的不同振幅和頻 率脈動流的測量誤差[3]。依據動量守恒定律,可列出包含流速、切線速度等參數的非線性微分方程,通過計算和分析可理論推導測量誤差[4]。
      3.1.2實驗室試驗
        現場實測脈動流的特性,采用已知標準體積壓縮空氣,在實驗室模擬脈動流,將測量值與標準體積進行對比,分析測量誤差。
      3.1.3誤差檢測設備檢測
        一種燃氣脈動流誤差檢測設備,可較精確地測得脈動誤差值,但暫未在山西省廣泛應用。在絕大多數燃氣公司的實 際運行管理過程中,脈動流的特性參數無法在日常運行監測數據中獲取,因此,主要定性地說明脈動流對渦輪流量計計量偏差的影響。
      3.2測量誤差
        已有很多學者針對脈動流對計量的影響進行了研究。分析結果可知,由于葉輪受流體加速影響小,受流體減速影響大,計量始終存在正供銷差。此外, 正供銷差取決于脈動流的振幅和頻率,整體來說,如果脈動流頻率大于葉輪角頻率時正供銷差值較大,脈動振幅增大時正供銷差值也隨之增大。
      3.3脈動流對計量結果影響
      A分輸站渦輪流量計距離上游非常近的壓縮站(往復式壓縮機增壓)不到7km,且該分輸站工藝布置緊湊。據實地測量,流量計上游直管段長度約為 6Dn(Dn為渦輪流量計口徑,mm),下游直管段長度約為4Dn。此外,7km管道沿線地勢高低不平,加之煤層氣氣質水含量較大,導致在低洼處極易形成 積液,積液也會造成脈動流。2014年8—10月期間,下游公司發現正供銷差持續增大時,對A分輸站和B分輸站的渦輪流量計進行了標定,但標定結果均為合 格。隨后下游公司在2014年11月5—7日對A至B分輸站段管線進行了清管作業,共清出污水雜質約23t,清管完成后正供銷差明顯減小。清管前后實際供 銷差數據如表6所示。

        除此之外,通過日常運行監測,供氣瞬時流量每次顯示數據都在變化,且在一定時間內在1個值上下頻繁波動(波動幅度約為±20%)。綜合上述情 況,該輸氣管道存在脈動流的可能性很大。脈動流會造成正供銷差影響,對下游接氣單位不利,因此有必要對脈動流的影響進行修正。
      4結語
        目前,山西省絕大多數分輸站未安裝在線色譜儀,且直接測量脈動流流量的計量表還未被廣泛應用于實際生產中。探究表明,山西省非常規天然氣的組 分和脈動流輸氣均會使渦輪流量計產生無法通過定期檢定來消除的正向系統誤差。因此,為確保作為上下游貿易交接依據的計量表測量的精度,保證公平交易,可通 過誤差分析修正、組分修正、優化工藝等方式對現渦輪流量直接測量結果進行修正。
      a)天然氣組分影響的修正建議。結合實際工況條件,合理調整渦輪流量計的壓縮因子和天然氣組分;當精度要求較高時,采取安裝在線分析儀的方式實時更新流量計參數。
      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,并以此作為結算依據。

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