流量計(jì)孔徑比對(duì)天然氣輸差的影響

 1.輸差的概念

    輸差是指平衡商品天然氣中間計(jì)量與交接計(jì)量之間流量的差值。計(jì)算公式為：

         （1）

    式中：Q₅——某一時(shí)間輸氣管道內(nèi)平衡輸氣量之差值，m³；

    Q₁——同一時(shí)間內(nèi)的輸入氣量，m³；

    Q₂——同一時(shí)間內(nèi)的輸出氣量，m³；

    Q₃——同一時(shí)間內(nèi)輸氣單位的生產(chǎn)、生活用氣量，m³；

    Q₄——同一時(shí)間內(nèi)放空氣量，m³；

    V₁——計(jì)量時(shí)間開始時(shí)，管道計(jì)算段內(nèi)的儲(chǔ)存氣量，m³；

    V₂——計(jì)量時(shí)間終了時(shí)，管道計(jì)算段內(nèi)的儲(chǔ)存氣量，m³。

    相對(duì)輸差計(jì)算公式為：

       （2）

    式中：η——相對(duì)輸差，%。

    輸差的大小是衡量一個(gè)企業(yè)計(jì)量交接工作是否正常的重要數(shù)據(jù)，通常對(duì)于輸差要確定一個(gè)控制標(biāo)準(zhǔn)（一般參照±0.35%執(zhí)行）。若計(jì)量輸差超出控制標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)造成成品油交接計(jì)量的無(wú)序發(fā)展，引起內(nèi)部經(jīng)濟(jì)效益的流失。因此進(jìn)行油氣的輸差控制與分析對(duì)提高企業(yè)效益、降低成本具有十分重要的意義。

    按物質(zhì)不滅定律，只要輸送管道無(wú)泄漏，輸差應(yīng)該等于零，然而，由于量值是用儀表測(cè)量出來(lái)的，有測(cè)量就會(huì)有誤差；另外，由于壓力的變化，管內(nèi)存儲(chǔ)會(huì)發(fā)生變化，從而造成輸人、輸出的量值產(chǎn)生差值。   

    輸差的存在有著客觀和主觀兩方面的原因。客觀上的原因是來(lái)自儀器儀表、測(cè)量、化驗(yàn)等方面的誤差及正常的途耗，另外是流量計(jì)卡堵及管線跑冒滴漏。主觀原因主要來(lái)自人員失誤、不規(guī)范計(jì)量行為、計(jì)算錯(cuò)誤等粗大誤差，甚至偷盜行為和弄虛作假行為。

    2 孔板流量計(jì)對(duì)輸差的影響

圖1 孔板流量計(jì)示意圖

圖2 孔板流量計(jì)安裝示意圖

    孔板流量計(jì)又稱為差壓式流量計(jì)，是由一次檢測(cè)件（節(jié)流件）和二次裝置（差壓變送器和流量顯示儀）組成，見圖1和圖2。廣泛應(yīng)用于氣體、蒸汽和液體的流量測(cè)量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，性能穩(wěn)定，使用可靠等特點(diǎn)。

    根據(jù)誤差理論，標(biāo)準(zhǔn)孔板配二次儀表組成的流量計(jì)量系統(tǒng)的誤差由隨機(jī)誤差、已定系統(tǒng)誤差、未定系統(tǒng)誤差三部分組成。由于天然氣的原始計(jì)量結(jié)果是取多次測(cè)量的平均值，根據(jù)誤差理論可知，在測(cè)量次數(shù)足夠多的情況下，可以忽略測(cè)量產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。對(duì)于已定系統(tǒng)誤差，一般在測(cè)量中力求對(duì)已定系統(tǒng)誤差作修正處理，所以理論分析討論計(jì)量裝置的誤差實(shí)際上只考慮儀表本身帶來(lái)的未定系統(tǒng)誤差。

    未定系統(tǒng)誤差的大小可以用流量測(cè)量的不確定度來(lái)計(jì)算。根據(jù)SY？6143-1996可知，流量測(cè)量的不確定度相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)偏差的兩倍，因此，求出流量測(cè)量的不確定度，就可以得到測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

    標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)系統(tǒng)體積流量計(jì)算公式為：

    式中：Q_n——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m³/s；

    ρ_n——天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m³；

    ρ₁——天然氣在流動(dòng)狀態(tài)下上游取壓孔處的密度，kg/m³；

    Gr——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的相對(duì)密度；

    Za——干空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；Zn——天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；

    Z1——天然氣在實(shí)測(cè)狀態(tài)下的壓縮因子；

    Ma——干空氣的相對(duì)分子質(zhì)量；R——通用氣體常數(shù)；    

    C——流出系數(shù)；

    β——孔徑比，β=d/D；

    Δp——孔板前后差壓，Pa；

    Î——流束膨脹系數(shù)。

    天然氣體積流量的測(cè)量不確定度按下式計(jì)算：

    式中：——流出系數(shù)的不確定度，±0.6%；   

    ——測(cè)量管內(nèi)徑的不確定度，±0.4%；

    ——可膨脹系數(shù)的不確定度，±4

    ——孔板開孔直徑的不確定度，±0.0.7%；

    ——天然氣流動(dòng)時(shí)上游的壓力測(cè)量的不確定度；

    ——差壓測(cè)量的不確定度；

    ——天然氣相對(duì)密度測(cè)量的不確定度，±0.5%；

    ——天然氣壓縮因子測(cè)量的不確定度，±0.5%；

    ——天然氣流動(dòng)熱力學(xué)溫度測(cè)量的不確定度。

    3　CFD軟件模擬

    目前國(guó)內(nèi)天然氣的計(jì)量大多采用的是孔板流量計(jì)，其原理見圖3。該流量計(jì)的測(cè)量精度能夠滿足SY/T6143—1996標(biāo)準(zhǔn)的要求，但在實(shí)際的生產(chǎn)中，由于節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造安裝以及使用條件不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，或者儀表選擇不當(dāng)，影響了孔板流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量精度。   

圖3　孔板流量計(jì)原理圖

    利用CFD通用軟件PHOENICS，對(duì)輸差現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖4即為建立的物理模型，圖5為天然氣的速度矢量和云圖，圖6為孔板流量計(jì)后的速度矢量和云圖。通過數(shù)值模擬，我們可以建立不確定度和孔徑比β的關(guān)系，如圖7。

圖7 不確定度和孔徑比的關(guān)系圖

    一般而言，孔徑比β值越高，不確定度也就越高，所造成的天然氣輸差也就越大，因此應(yīng)避免采用孔徑比大的孔板。另外，孔板彎曲或變形、孔板流量計(jì)的孔板銳邊、截面及流線的變化、管道內(nèi)的腐蝕物、管道內(nèi)壁的相對(duì)粗糙度都會(huì)對(duì)輸差構(gòu)成一定的影響。

    4 結(jié)論

    從上面的分析可知，天然氣計(jì)量過程中出現(xiàn)誤差是在所難免的，而且有許多是不可避免的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中0.10≤β≤0.75規(guī)定的上限，減少輸差。