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孔板流量计在油田天然气计量上的应用
发布时间:2019-10-10

摘要:文章结合孔板流量计的基本原理及主要特性,阐述孔板流量计在天然气计量上的应用情况,总结问题,探讨解决方法,为今后在设计中使用孔板流量计积累经验。
0引言
  孔板流量计是目前世界上应用范围最为广泛的流量计量仪表之一。所有单相流体都可以测量。由于应用历史悠久,在试验研究中积累的丰富资料和统计数据,用干标的方法即可保证流量计计量精度,这在所有流量仪表中是唯一的。多年应用经验及现场实流对比证明,孔板流量计工作非常稳定可靠。
  孔板流量计在天然气计量方面应用广泛,目前全国许多油气田、长输管道的天然气交接计量都采用孔板流量计完成,到现在已经形成了许多应用经验,值得总结探讨。
1孔板流量计类型
  目前广泛使用的孔板一次装置分为两种,一种是简易孔板截流装置,一种是高级孔板阀。
  简易孔板截流装置:无孔板升降机构,必须停止介质输送才能完成孔板检查及更换,结构简单,造价低。
  高级孔板阀:精度比简易孔板截流装置高,检查、更换孔板、维修时可以不停止生产,在线进行,由于具有孔板升降机构,能够很快在线完成孔板检查及更换。操作灵活方便。
2工作原理
  流体在流动过程中,在一定条件下,流体的动能和静压能(压力能)可以互相转换,并可以利用这种关系来测量流体的流量1。
  介质流经管道中孔板所在的截面时,由于流通面积突然缩小,促使流束产生局部收缩,流速加快,静压力降低,因而在孔板前后出现压力差(简称差压)。可以通过测量此差压的大小按一定的函数关系来计算出流量值。根据能量守恒定律及流体连续性原理,节流装置的流量方程可以写成:

  式中,M为质量流量,kg/s;Q为体积流量,m3/s;ɑ为流量系数;?为流量膨胀系数;F0为节流装置开孔截面积,m2;ρ1为流体流经节流元件前的密度,kg/m3;Δρ为节流元件前后压力差,即Δρ=ρ1-ρ2,Pa。
  由式(1)和(2)可见,天然气流经节流装置(孔板)时的体积(质量)流量与产生的差压平方根成正比。基于此原理,孔板流量计通过测量孔板前后差压,经过计算换算出天然气的流量。
3孔板流量计的选型和安装
3.1孔板流量计选型
  我们所说的孔板流量计实际上是许多仪表组成的一个整体,其选型包括高级孔板阀、差压变送器压力变送器温度变送器的选型。
  孔板流量计的选型最基本内容即是通过计算获得孔板片标准开口尺寸d20和孔板片前后差压值。目前我们采用符合GB/T21446-2008标准2的计算软件,其计算步骤简述如下:
1)辅助计算:
  首先设计人员根据管道介质流量确定d20,即20℃条件下检测的测量管直径(孔板阀孔径)。需要注意的是在满足计量能力的条件下,应选择内径较小的测量管,提高差压和孔径比。
计算天然气真实相对密度、密度、压缩因子和超压缩系数。
计算天然气等熵指数、动力粘度。
计算管径雷诺数。
2)计算顺序:
计算近似值
  将β近似值带入工时最终求出值(孔径比)和d值(开孔直径),进而求出d20,即孔板在20℃条件下测量出的孔径值。
  需要注意的是,由于单片孔板量程比只能达到1:3,最多不超过1:4,因此对于流量范围较大的工况,可将流量值分作2~3段,分别计算出口径从大到小的2~3片孔板。
  结合孔板阀孔径、孔板开孔直径和介质工艺条件,就可以计算出ΔPmax和ΔPmin。
  计算完毕后,结合工艺介质条件即可选择适合设计工况的高级孔板阀和孔板片,并可确定差压检测范围,再根据工况确定压力、温度补偿仪表的测量范围,孔板阀的选型就完成了。
3.2孔板流量计的安装
  孔板流量计的安装调校,必须严格按照相关国家标准GB/T21446-2008进行。
1)直管段的要求
  速度式流量计都有前后直管段的安装要求,用以起到被测流体稳流的作用,孔板流量计的直管段由其前端安装的阻流件形式和直径比确定,在阻流件和值确定的情况下,可以通过查询GB/T21446-2008来确定直管段长度,GB/T21446-2008规定了各种阻流件要求的最短直管段长度,但在孔板上游安装整流器的情况下,可以缩短直管段的长度,因此该标准也推荐采用整流器。
  根据规范的要求,目前我们的设计中均在孔板上游设置了流动调整器,按照规范规定,在孔板上游13D(孔板阀内径)处安装整流器,再保证30D的前直管段的情况下,可以满足任何上游阻流件下的安装,目前这样的直管段配置已经在设计中普遍采用,相对而言,后直管段的确定则比较简单,仅仅由直径比确定,直管段安装如图1所示。
孔板流量计安装图示
  值得注意的是,由于安装在孔板上游和阻流件之间的直管段由两种管段组成,一截是孔板配套提供,一截是工程上提供,两种管段可能存在内径不完全一样的情况,这样会形成一个凸台,根据经验,10D之外台阶h不超过2%的圆度要求即可。
  管段必须是直的,当与管道直线的偏移不超过其长度的0.4%时,即认为管道是直的。通常只需目测检验,上下游直管段对接引起的管道直线的偏差也应不超过其长度的0.4%。
2)孔板安装要求
  孔板应与节流装置中的直管段对中。实验表明,孔板偏心引起的计量误差一般在2%以内,孔径比值愈高,偏心率影响愈大,应不用值高的孔板。
  不能使孔板发生弯曲或变形,否则将导致流量测量误差较大。在法兰取压的孔板上进行测试,孔板弯曲产生的最大误差约为3.5%。
3)变送器安装要求
  差压和压力引压管段在不影响仪表安装操作的前提下应尽量短,这样便于保温和防冻,同时因具有一定斜度,使天然气中产生的凝液不致在变送器侧汇集3。
4)其他安装要求
  所有垫片不能用太厚的材料,最好不超过0.5mm,垫片不能突出管壁内否则可能引起很大的测量误差。
凡是调节流量用的阀门,应装在节流件后最小直管段长度以外。
节流装置在工艺管道上的安装,必须在管道清洗吹扫后进行。
4存在问题及解决方法
4.1存在的问题
1)仪表本身计量精度问题
  尽管孔板流量计自动计量系统的发展越来越完善,但由于设备、测量仪表本身的原因和自动计量技术上的局限性,在提高计量的准确性和数据处理上,仍存在一些问题。
  测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平,孔板流量计在流体较为干净、直管段较长、流体处于紊流状态(雷诺数大于4000)时,测量精度较高。但由于气质、计量直管段没有达到要求,造成孔板入口锐角损伤;液体及固体污物堆积在孔板表面,使孔板表面粗糙度改变,大大增加测量误差。
2)量程比问题
  孔板流量计测量范围太窄,这是此种流量计应用上的最大不足,由于仪表信号(差压)与流量为平方关系,一般测量范围度仅3∶1~4∶1。
3)安装问题
现场安装条件要求较高,需要较长的直管段,在工程中有时难以满足。
孔板阀与差压、压力检测仪表之间引压管线易产生泄漏、冻堵等问题。
4)使用中产生的问题
  孔板弯曲变形,上游端面沉积脏物,孔板入口直角边缘破损等问题都会影响到计量精度。
4.2解决天然气计量问题的途径
1)保证安装质量,勤于维护
  可以看到,很多安装和维护的问题往往影响到孔板流量计测量精度,因此安装时必须严格按要求施工,消除安装误差。在使用过程中,操作人员应做好系统的检修、维护、保养工作,延长其使用寿命,对于实际使用中的压力、温度、流量等工况参数的变化,应进行及时修改以减小计量误差。
2)采用多种办法提高量程比
采用宽量程差压变送器
  为了提高量程比,可以考虑利用变送器宽量程的特点,运用软件的方式实现量程的自动调整(软维护),从而扩大量程比,提高测量的有效范围,保证计量的准确性
采用双差压变送器
  为同一台孔板阀配套两台差压变送器,根据实际差压的变化,切换差压信号,从而扩大量程比,提高测量的有效范围,保证计量的准确性。
采用多路计量的方式
  针对天然气流量检测范围,设计两套及以上不同口径的孔板流量计,根据流量峰值和低谷的时间段,手动或自动切换介质流路,实现宽量程的计量。
5结束语
  孔板流量计已经应用多年,在总结问题的基础上得出更加科学可靠的设计、使用方法十分重要。随着流量计算机、组份分析仪的成功应用,孔板流量计作为一种可靠、经济和方便耐用的仪表设备仍然可以适用未来能量交接的计量场合,潜力依旧可观。

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