柴达木盆地是中国石油天然气股份有限公司重要的气区之一,其中涩北气田是青海气区天然气生产的主战场,目前已建有涩一宁一兰、涩一格、涩一仙一敦等数条输气管道。
在2007年以前建设的天然气贸易交接计量系统中,跟国内其他气田一样,绝大部分都是采用标准孔板计量方式,但是,由于标准孔板计量方式存在量程比小(仅为3:1)、精度低、压损大、对安装条件要求苛刻等缺点,在贸易交接计量中应用越来越少,青海油田从2007年至今,重要的天然气贸易计量系统全部采用多通道超声波流量计。
2.标准孔板与超声波流量计计量方式比较
标准孔板流量计测量原理:当充满管道的流体流经管道内的节流件时,将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大,产生的压差愈大,这样可依据压差来衡量流量的大小。这种计量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的,压差的大小不仅与流量有关,还与其他许多因素有关,例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、黏度)不同时,在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。以伯努利方程式和流体流动的连续性方程式为依据,天然气流量计算公式是:
Vn=Vf*PfTnZn/PnTfZf
根据气体易压缩、密度差异大、受温度影响大的特点,得出天然气流量计量的实用公式是：
On =Aha0yrebkFred2 FgFaFzFt√ p1hw
式中:Qnー标准状态下气体体积流量,Nm3/h
Ahー常数,标况下为0.008686
a0ー特定流量系数;
yreー计量管内壁流量修正系数;
bkー孔板人口边缘锐利度修正系数;
Frー雷诺数修正系数;
eー气体膨胀系数;
dー孔板在20℃下实测的开孔口径,m
Faー孔板热膨胀修正系数
Fgー一天然气相对密度修正系数;
Fzー超压缩系数;
Ftー流体流动温度修正系数;
P1ー孔板上游侧绝对压力,MPa;
hw气体流过孔板时的差压,MPa
1)无可动部件,坚固耐用,检定容易;
2)应用历史悠久,标准规定全,技术成熟;
3)制造相对容易,价格便宜。
孔板流量计的主要缺点
1)测量范围(量程比)窄,量程比为3:1,且合理使用的流量是满量程的30%~80%;
2)压力损失大;
3)计量准确度受安装条件影响很大;
4)前后安装直管段要求长,占地面积大
5)计量准确度受人为因素影响大;
6)不能直接读出计量结果,使用不便;
7)节流装置容易产生堵塞、结垢、磨损、腐蚀等现象,这些都会带来附加误差。
超声波流量计测量原理:让声脉冲在管道内向逆流和顺流沿斜线方向传播,如图1所示,分别测量它们的时间,其传播时间差与气体的轴向平均流速
有关,从而使用数学计算技术计算出在工作条件下通过气体超声流量计的气体轴向平均流速和流量。
天然气流量计算公式是:
Qn=VA(Pf/Pn)(Tn/Tf)(Zn/Zf)
式中:Qnm标准状态下气体体积流量,Nm3/h;
Vー天然气流过流量计的平均流速,m/s;
Aー天然气流过流量计的流通面积,m2
Pfー工作状态下的绝对静压力,MPa
Pnー标准状态下的绝对压力,其值为0.101325MPa;
Tnー标准状态下的热力学温度,其值为293.15K
Tfー工作条件下的热力学温度,其值为293.15K;
Znー标准状态下的压缩因子,按CB/T17747计算得出;
Tfー工作条件下的压缩因子,按CB/T1747计算得出。
超声波流量计优点
1)测量范围(量程比)宽,量程比为100:1(0.330m/s),绝大部分工况都可满足;
2)计量精度高,4声道流量计精度可以达到士0.5%,6声道流量计精度可以达到±0.25%;
3)流量计前后直管段要求低,一般要求前10D后5D即可
4)高抗干扰性:内置数字滤波器,过滤各种噪音,保证测量数据的准确性。
超声波流量计缺点
1)制造成本高,无国产设备,进口设备价格昂贵,价格相当于孔板计量系统10倍以上,导致工程投资大大增加;
2)标定困难,必须定期送到定点标定机构标定,目前国内只有南京和四川华洋两个标定站。
超声波流量计的突出优点是量程比宽,100:1的量程比几乎适应所有的工况变化要求。在实际工程应用中,有时气量变化非常大,用孔板计量时不得
不用多路不同大小规格的孔板搭配使用才能满足工况变化要求,给设计、安装、运行等都带来极大不便。
超声波流量计的另一个突出优点是测量精度高,4声道流量计精度可以达到±0.5%,而标准孔板计量也只能达到1%,在贸易计量中,计量准确度是买卖双方关心的技术指标,也正是基于这一点,标准孔板计量有被超声波计量取代的趋势。
3.超声波流量计选择
作为贸易计量,为了满足精度要求,必须选用多通道超声波流量计。目前,市场上多通道超声波主要有24、5和6声道技术,2声道流量计精度只能
保证在1%,4、5声道流量计精度可以做到0.5%,6声道流量计精度可以达到0.25%。考虑到精度因素,2声道流量计应用较少,由于4、5声道流量计性
价比高,是目前市场上的主流,但是最近两年,由于
6声道流量计具有无可比拟的技术优势,逐渐被用户认可。6声道超声波流量计一共使用了在3个平行平面的6个声道来进行测量,每个平行平面上,有2个声道相互交又,如图2所示。声道是根据高斯一切比雪夫( Gauss- Chebyshev)理论进行排列,所以甚至在不对称、涡流的情况下也可以保证对流速的ZUI佳测量。
6.声道超声波流量计性能特点:
1)与4、5声道流量计相比,以特别方式排列的6声道超声波流量计有以下决定性的优点:
(1)抗干扰性。根据高斯-切比雪夫( Gauss Chebyshev)理论排列声道,并且声道相互交叉,使流
量计很大程度上不受气体流型的影响。因此,可以不需要整流器甚至在气体流动受到涡流、不对称等干扰的情况下也可以实现高精度的测量。
(2)冗余性。如果其中任何一个或两个声道失效,6声道流量计将通过内置声道重新构造的计算模型,保证计量精度满足规范要求,流量计将不会失去计量能力。
2)由于传感器以100kHz的频率运行,这就使得流量计能够对流速高达40m/s的气体进行测量,
所以6声道超声波流量计可以应用到流速非常高的场合。
3)6声道超声波流量计的精度为±0.25%,满足贸易计量要求。其本身基本的声道几何排列、六声道技术和高声波频率等特性,使得气体超声波流量计可以实现高精度测量。
4)几乎没有压力损失,只要管道的横截面内部没有安装元器件,那么实际上就没有压力损失。
5)可以实现双向测量,流量计自动检测气体流向,可以在两个方向上测量而且分别累计计量。
6)对污物不敏感,因为测量不需要声波反射,在管壁上堆积的污物对超声波脉冲不起作用,并且钛金属传感器表面是防污垢的,这样就减弱了污物等因素对流量计造成的影响。
7)不受压力变化约束,因为气体流速是直接测量且测量不需要靠流体机械力作用来完成。
由于6声道超声波流量计具有优良的测量性能,同时随着市场价格的回落,必将成为天然气贸易计量中的主流仪表。
4.现场应用
目前,青海油田天然气外输贸易计量系统中,已安装20套多通道超声波流量计,经过近几年的运行,从生产单位反映的情况看,多通道超声波流量计计量准确、可靠,实现了日常的“零维护”,保障了贸易交接双方的利益,流量计的工作情况令贸易交接双方均比较满意。
5.结束语
多声道气体超声波流量计由于具有测量精度高、测量范围宽、抗干扰性强、无压损、超载安全、双向测量、测量的影响因素少等优点,完全适用于天然气贸易计量,有效地提高了气田外输天然气计量技术水平,保证了天然气计量准确可靠和公平公正,避免了贸易计量纠纷。