孔板流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

摘 要 介紹了孔板流量計(jì)量器具的應(yīng)用，同時(shí)針對(duì)當(dāng)前孔板流量自動(dòng)計(jì)責(zé)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和分析，為現(xiàn)場(chǎng)孔板流量計(jì)計(jì)I準(zhǔn)確度的提高提出了相應(yīng)的建議和要求。

由于歷史原因和自身的特點(diǎn)，孔板流量計(jì)在當(dāng)前天然氣計(jì)量中占據(jù)很大市場(chǎng)。同時(shí)，由于自動(dòng)化技術(shù)在孔板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用，使孔板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)計(jì)量過(guò)程中人為誤差等不利因素，進(jìn)一步提高了孔板流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

1 天然氣流量計(jì)量方法

我國(guó)天然氣計(jì)量通常以體積表示，法定單位是立方米。我國(guó)規(guī)定天然氣流量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是:絕對(duì)壓力為0.101325MPa，溫度為23.15℃。天然氣流量計(jì)量方法很多，可用的流量?jī)x表也很多，按工作原理大致分為:差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、速度式流量計(jì)3種類(lèi)型。在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)方面，目前世界上多數(shù)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)逐步向IS05167《用孔板測(cè)量充滿(mǎn)圓管的流體的流量》靠攏，我國(guó)天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)也修訂為SY/T6143－1996《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法》。

2 孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量概況

所謂自動(dòng)計(jì)量，就是利用變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)天然氣流量計(jì)量中所涉及到的溫度、壓力、壓差等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)中的流量計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流量測(cè)量環(huán)節(jié)中無(wú)人工參與的天然氣流量測(cè)量。隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)用的普及。實(shí)現(xiàn)孔板流量計(jì)自動(dòng)化計(jì)量的方案較多，目前主要有以下4種模式。

2.1 單變量變送器+流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))

利用單變量模擬變送器分別檢測(cè)溫度、壓力、差壓，并將檢測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4－20MA模擬信號(hào)送人流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))的數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))上通過(guò)流量計(jì)算軟件計(jì)算出天然氣瞬時(shí)流量、累積流量以及實(shí)現(xiàn)其他輔助功能。此方式屬傳統(tǒng)自動(dòng)計(jì)量模式，缺點(diǎn)為采集、傳輸為模擬信號(hào)，抗干擾能力較差，由于信號(hào)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題計(jì)量精度難以提高，而且硬件較復(fù)雜、中間環(huán)節(jié)較多、可靠性較差?？蓴U(kuò)展為:單變量變送器+流量計(jì)算機(jī)+工控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算與顯示分開(kāi)，提高系統(tǒng)的可靠性和可視性。

2.2 多變量變送器+流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))

利用1臺(tái)多變量智能變遞器同時(shí)檢測(cè)溫度、壓力、差壓等，采用現(xiàn)場(chǎng)總線制，通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸，送入流量計(jì)算機(jī)(或工控機(jī))數(shù)據(jù)采集卡后上通過(guò)流量計(jì)算軟件計(jì)算出天然氣瞬時(shí)流量、累積流量及實(shí)現(xiàn)其他功能。此方式硬件連接簡(jiǎn)化了許多，提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。但由于變送器僅檢測(cè)測(cè)量信號(hào)不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此在校準(zhǔn)時(shí)必須和流量計(jì)算機(jī)一起實(shí)行聯(lián)校。采用流量計(jì)算機(jī)或工控機(jī)主要區(qū)別在于流量計(jì)算部分。流量計(jì)算機(jī)是專(zhuān)用的固化軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，比較穩(wěn)定可靠，可信任度較高；工控機(jī)上軟件計(jì)算一般自主開(kāi)發(fā)，便于軟件升級(jí)和系統(tǒng)維護(hù)，由于計(jì)算量大，特別是多路計(jì)量時(shí)，可靠性稍微差些。為增加系統(tǒng)的可靠性和操作界面直觀化，這種方式也可擴(kuò)展為:多變量變送器+流量計(jì)算機(jī)+工控機(jī)，即流量計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算，工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)顯示。

2.3 多變量智能變送器+工控機(jī)

此方式與模式2比較，主要區(qū)別是變送器內(nèi)固化了流量處理軟件，使得變送器可以就地顯示瞬時(shí)測(cè)量參數(shù)和計(jì)算瞬時(shí)流量，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸，送入工控機(jī)顯示和實(shí)現(xiàn)其他輸助功能。所測(cè)量的流量值必須在工控機(jī)上進(jìn)行二次處理，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的累積和存儲(chǔ)功能。采用這種方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，變送器可單校也可聯(lián)校，易于維護(hù)。但由于在工控機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量的累積和存儲(chǔ)，可靠性較差，易造成數(shù)據(jù)丟失。

2.4 一體化智能儀表+工控機(jī)

主要利用一體化智能儀表實(shí)現(xiàn)了變送器與流量計(jì)算機(jī)的一體化。不僅自帶數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)參數(shù)及流量的顯示，以及累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)；而且在儀表的運(yùn)行方面，采取了多種電源保障方式:內(nèi)電池組、太陽(yáng)能和外接電源等，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)電力供應(yīng)情況下，可以獨(dú)立自成計(jì)量系統(tǒng)，就地顯示天然氣瞬時(shí)流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、再現(xiàn)等；正常情況下可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和上位機(jī)連接，實(shí)行數(shù)字信號(hào)傳輸上傳顯示，也可以在工控機(jī)上實(shí)行二次數(shù)據(jù)處理，組成的計(jì)量系統(tǒng)更加靈活、可靠。采用這種方式，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量數(shù)據(jù)的無(wú)憂(yōu)化，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作更簡(jiǎn)單、更可靠、更易維護(hù)；不僅可以單校也可以聯(lián)校。采用獨(dú)立的計(jì)量回路，減少了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的干擾，提高了計(jì)量的精度。

3 自動(dòng)計(jì)量方案選擇的原則

由于天然氣流量計(jì)量是一種間接的、多參數(shù)的、動(dòng)態(tài)的、不可再現(xiàn)的測(cè)量，天然氣的流量計(jì)量是流量測(cè)量中的難點(diǎn)之一。因此，在選擇具體方案時(shí)，應(yīng)著重考慮系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性和先進(jìn)性。一般主要遵從以下原則

3.1 數(shù)據(jù)的安全性原則

指在非儀表故障的情況下，計(jì)量系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管網(wǎng)的有效監(jiān)控，并保證數(shù)據(jù)的可靠性，為企業(yè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)、指揮、協(xié)調(diào)提供重要依據(jù)。計(jì)量是信息系統(tǒng)重要的數(shù)據(jù)源，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將給企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。因此，數(shù)據(jù)源要求準(zhǔn)確、齊全、完整、可靠。為此在選擇方案時(shí)，首要問(wèn)題就是考慮計(jì)量數(shù)據(jù)的安全性。由于針對(duì)天然氣集輸企業(yè)分散、環(huán)境因素惡劣，要充分考慮計(jì)算機(jī)故障、電力供應(yīng)等實(shí)際情況，做好預(yù)案，避免由此而引起的數(shù)據(jù)丟失。

3.2 計(jì)量回路的獨(dú)立性原則

主要是為了保證在計(jì)量系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，盡量減少故障的影響面，降低故障的影響程度，從而維護(hù)企業(yè)的安全平穩(wěn)運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 使用操作的簡(jiǎn)單、可靠原則

由于天然氣集輸企業(yè)的站、場(chǎng)一般都比較分散，專(zhuān)業(yè)人員相對(duì)較少。因此，在選擇、設(shè)計(jì)方案時(shí)要充分考慮操作、維護(hù)的簡(jiǎn)要性，做到簡(jiǎn)單易用、高可靠、低維護(hù)，從而確保計(jì)量系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 兼顧發(fā)展的原則

伴隨天然氣貿(mào)易的發(fā)展對(duì)天然氣計(jì)量的精度和計(jì)量方式的要求也越來(lái)越高。在選擇時(shí)要考慮天然氣計(jì)量交接方式的可能改變和實(shí)時(shí)計(jì)量補(bǔ)償?shù)目赡埽缭诰€色譜分析、實(shí)時(shí)補(bǔ)償、能量計(jì)量等。如果要在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立以企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)為紐帶的站控系統(tǒng)，則應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程組態(tài)。

3.5 計(jì)算方法和計(jì)算軟件的合法性原則

在天然氣貿(mào)易計(jì)量中要充分考慮到計(jì)算方法和計(jì)算軟件的合法性問(wèn)題，避免由此而引起不必要的計(jì)量糾紛。由于天然氣計(jì)量方法的多樣性，應(yīng)考慮計(jì)算軟件的獨(dú)立化，這樣才便于流量計(jì)算軟件的升級(jí)。在具體的計(jì)量系統(tǒng)中應(yīng)采用用戶(hù)認(rèn)可的特定計(jì)算方法或是以合同、協(xié)議的方式規(guī)定計(jì)算方法。

3.6 技術(shù)先進(jìn)、成熟的原則

現(xiàn)代計(jì)量逐步發(fā)展成為一門(mén)綜合性的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，它是集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)結(jié)晶。由于各儀表廠家技術(shù)水平的不平衡，在選擇方案時(shí)一定要有預(yù)見(jiàn)性。

4 存在的問(wèn)題

盡管孔板流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越完善，但由于設(shè)備、測(cè)量?jī)x表本身的原因和自動(dòng)計(jì)量技術(shù)上的局限性，在提高計(jì)量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理上，仍存在一些問(wèn)題。

4.1 節(jié)流裝置帶來(lái)的誤差

首先，孔板流量計(jì)在流體較為干凈、流經(jīng)節(jié)流裝置前直管段比較理想(遠(yuǎn)大于10倍圓管直徑)、流體處于紊流狀態(tài)(雷諾數(shù)大于4000)時(shí)，其準(zhǔn)確度可達(dá)0.75級(jí)。但由于氣質(zhì)、計(jì)量直管段沒(méi)有達(dá)到要求，孔板產(chǎn)生誤差的因素有:孔板人口銳角損傷;液體及固體污物堆積在孔板表面，使孔板表面粗糙度改變，大大增加測(cè)量誤差。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)的孔板所作測(cè)量統(tǒng)計(jì)，孔板在剛開(kāi)始投用時(shí)，準(zhǔn)確度可達(dá)1%，連續(xù)運(yùn)行3月后，其測(cè)量準(zhǔn)確度僅達(dá)到3%甚至更低。其次，量程比的問(wèn)題。量程比(3:1)是孔板流量計(jì)最大的缺憾。盡管現(xiàn)在已有寬量程比的變送器，但在對(duì)于瞬間流量變化范圍很大，流量低于最大流量的30%時(shí)，由于節(jié)流式測(cè)量方法原因，計(jì)量的精度將大幅度降低。因此，為了提高量程比，可以考慮利用變送器寬量程的特點(diǎn)，運(yùn)用軟件的方式實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)調(diào)整(軟維護(hù))，從而擴(kuò)大量程比，提高測(cè)量的有效范圍，保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)變送器的誤差

現(xiàn)場(chǎng)壓力、并壓變送器本身能達(dá)到的準(zhǔn)確度是實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)。因此，要保證差壓變送器、溫度傳感器、壓力傳感器的本身準(zhǔn)確度為A級(jí)，即時(shí)進(jìn)行檢定，保證其準(zhǔn)確度。

4.3 異常數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題

任何系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)一些異常的無(wú)理數(shù)據(jù)。因此為了維護(hù)貿(mào)易雙方的利益，對(duì)可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)問(wèn)題在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮數(shù)據(jù)的審慎可修改性，從而避免異常數(shù)據(jù)一旦出現(xiàn)并參與累積計(jì)算，造成計(jì)量數(shù)據(jù)的混亂。

4.4 操作界面和過(guò)程數(shù)據(jù)的利用問(wèn)題

由于天然氣輸送的連續(xù)性、動(dòng)態(tài)性、瞬間的不確定性以及不可再現(xiàn)等特點(diǎn)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)數(shù)據(jù)形成的全過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)控和保存，有利于數(shù)據(jù)異常的分析和控制，是數(shù)據(jù)管理中重要的一環(huán)。目前的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在此方面有所考慮，但過(guò)程數(shù)據(jù)的應(yīng)用、分析、界面功能尚不完全，還有待于完善。

5 結(jié)論

在采用孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量時(shí)，如對(duì)孔板流量計(jì)的一次裝置(孔板節(jié)流裝置)和二次儀表(差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數(shù)計(jì)量器具等)配套儀表的選擇、設(shè)計(jì)、安裝、使用都嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并在受控狀態(tài)下使用時(shí)，其流量測(cè)量準(zhǔn)確度是可以控制在±1%～±1.5%范圍內(nèi)的。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，就提高計(jì)量準(zhǔn)確度提出以下控制方法及建議。

5.1 孔板節(jié)流裝里必須符合標(biāo)準(zhǔn)

孔板節(jié)流裝置應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)安裝設(shè)計(jì)，根據(jù)孔板前阻力件形式配接足夠長(zhǎng)度的直管段，一般應(yīng)至少前30D。長(zhǎng)慶氣田在開(kāi)發(fā)初期部分集氣站因設(shè)計(jì)原因流量計(jì)直管段長(zhǎng)度為前10D后5D，造成天然氣計(jì)量輸差達(dá)到±5%～±8%。分析原因后經(jīng)技術(shù)改造，計(jì)量管段改為前30D后10D,使計(jì)量輸差降低到±1.5%。

5.2 氣流中存在脈動(dòng)流的改善措施

在天然氣計(jì)量中由于各種原因使天然氣脈動(dòng)，可以采取以下措施減小脈動(dòng)流的影響。

（1）在滿(mǎn)足計(jì)量能力的條件下，應(yīng)選擇內(nèi)徑較小的測(cè)量管，使Δp、β在比較高的雷諾數(shù)下運(yùn)行。

（2）采用短引壓管線，盡量減少引壓管線系統(tǒng)中的阻力件，并使上下游管段相等，以減少系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振和壓力脈動(dòng)振幅的增加。

（3） 采用自動(dòng)清管系統(tǒng)或低處安裝分液器來(lái)降低管線中積液引起的脈動(dòng)。為使天然氣流量計(jì)量達(dá)到具有最佳的計(jì)量性能，應(yīng)將天然氣中的水分徹底脫出。

5.3 加強(qiáng)計(jì)量管理、建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度

嚴(yán)格貫徹執(zhí)行SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn)，確保裝置完全符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度，如定期維護(hù)制度、周期送檢制度，加強(qiáng)對(duì)天然氣生產(chǎn)情況的監(jiān)測(cè)，及時(shí)消除誤差。長(zhǎng)慶氣田根據(jù)氣質(zhì)的凈化程度，規(guī)定集氣站、貿(mào)易交接計(jì)量孔板定期清洗檢查，同時(shí)還配備孔板綜合測(cè)試儀定期對(duì)孔板進(jìn)行幾何尺寸檢定，使集氣站單井計(jì)量輸差能有效控制在±1.0%以?xún)?nèi)。