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影响孔板流量计测量的因素及如何有效提高孔板流量计计量精度的研究

伴随国内能源工业的迅猛发展,天然气这一洁净高效的能源所占能源结构的比重越来越大,因此在实际生产中对对精度高的天然流量计测量仪表的需求也应运而生。综观国内目前的天然气测量中,尤其是大部分的大型天然气企业,采用的都是在采用孔板流量计,究其原因,是其具有的结构简单,造价低廉且测量精度较高的诸多优点。根相关统计部门的数据,国同有95%的石油天然气企业都将孔板流量计用于贸易结算。
孔板流量计是什么样的一类仪表,其工作原理和方式又是什么?孔板流量计是由节流装置、差压计、压力计和温度计构成,主要是由它根据能量守恒定律和流动连续性方程这些原理来设计制造的,方法是通过节流装置产生压力差,然后再进过一些仪器测量压力差和压力、温度,最后在使用 流量积算仪或者计算机控制系统最后得到数据。本文通过较为详细的介绍,对孔板流量计的原理及使用中涉及的各个方面加以论述。
1 孔板流量计工作原理及特点
孔板流量计以能量守恒定律和流动连续性方程为设计原理,其计算方法是根据装在管路中的同心孔板两边的压力差来计算的,其 结构是由温度计、压力计、节流装置等构成。由于其造价便宜,结构简单,具有较高的测量精度,并且适用于精度要求不高的工程测量以及贸易。我国使用孔板流量 计已经有很长的一段时间了,并拥有非常成熟的孔板流量计设计,生产,加工经验,其生产的孔板流量计也可以测量一些未知范围的天然气流量。现目前,我国主流 的天然气测量仪器还是孔板流量计。
2 天然气流量计算方法
2.1 天然气体积流量计算基本公式
式中 Qn———标准状态下天然气体积流量,m3/s;
C———流出系数;
β———直径比;
ε———可膨胀系数;
d———孔板开孔直径,mm;
Δp———节流件前后的压差,Pa;
ρ1———天然气在上游工况条件下的密度,kg/m3;
ρn———天然气在标准状态下的密度,kg/m3。
2.2 天然气体积流量计算实用公式
式中,As———秒计量系数,视采用计量单位而定,此式As=3.1794×10-6;
E———渐进速度系数;
FG———相对密度系数;
Fz———超压缩因子;
Fr———流动温度系数;
P1———孔板上游取压孔绝对静压,MPa。
3 孔板流量计计量误差分析
3.1 流出系数C对计量精度的影响
孔板流量计的校准于流出系数有关,它需要在上游直管段达到足够的长度,同时其的节流装置需要到达必要的技术要求。而流动 系数又与雷诺数有关且随其变化。c值增大时,雷诺数会变小,反之则c值减小时,雷诺数会增大。流动系数C也会随着流量变化而变化,其变化是随流量的变大而 减小,当实际的流量比刻度流量小时,则由其带来的流量误差会增大。同时C值是个变量,其根据雷诺数改变而改变,当雷诺数到一定值时,其变化量将会变小。关 于法兰取压,雷诺数要超过106,而关于交接取压其值要超过210.
3.2 被测介质实际物理性质的不确定度因素
(1)天然气相对密度对流量计量的影响。
天然气流量值会随着1/Gr变化而变化,其两者之间关系是正比例关系,这一点可以从上面公式(2)中可得知中可以看出。 假如把Gr看作一个单独的量,那么当Gr的不确定度为正负百分之零点五,这是天然气标准体积流量的不确定因素为正负百分之零点二五,因此显而易见流量计量 会受到天然气实际的相对密度的影响。而导致Gr不确定度出现的原因是由于没有测量和分析以及确定出真实天然气的相关物理参数。例如,实际空气的组分偏离标 准组分的偏离程度,各有关组分分子量测量的不确定度。目前Gr有两种办法确认,第一是用浮力气体天平、动量比重计等仪器检测其实际相对密度;第二种是采用 气分析仪器,先得知天然气的全部组成部分,再根据其算出Cr值。现在我们国家通常使用后一种方法。但是因为存在着压力温度差,所以Gr是一个变量。这时需 要使用在线色谱,观察其变化状况,从而进一步增加计量的精度。
(2)天然气压缩因子对流量计量的影响。
流量计量的结果通常表现为在实际运行中的流量流出,但是因为各个工程的实际情况不同,那么这时候就一般认为标准气体流 量。当我们遇到外部因素的影响时(气压不高、温度高),也可以用理想气体方程等到体积流量。然而现实和理想是有差异的,同样的现实气体也同样与理想气体有 差异,特别是在由于管道压力大和其温差大时,理想气体状态方程不在适用在这里。可以计算出天然气压缩系数办法的有三种,第一是用卡茨曲线图求解法,其优点 在于求解方法快速,使用方便,但其缺点就是误差较大。第二是采用卡茨表求解法,但其缺点在于算法繁琐,当没有有关压缩系数时还要用到内插法,但其优点在于 算出的数值最准确。第三种是查阅《天然气压缩系数速查手册》。
(3)可膨胀系数ε对流量计量的影响。
我们需要在气体经过孔板的时候对密度的影响的变化加入一个修正系数ε。这个引进的系数使我们在实际工作中产生误差一个主 要的原因。如果工作中天然气的流量没有达到预期的程度的时候,真正的修正系数的ε会比规划中的ε要小很多。最后让工作中得出的结果数据要比预期的数据小很 多。假设真正修正系数比工作中的修正系数要大,最后得到的结果也要比真正地结果要大很多。
(4)脉动流对流量计量的影响。
造成脉动流的根本原因是因为仪器管道中气体流过的速度还有气体的压力产生改变,这个改变能够引导出压力差的改变,让我们 仪器记录下来的线条是不是一根线。而是一段宽带。然而让这个脉动流产生的原因有些只有一个,而另一些却是有很多个原因结合到一起的。比如我们长距离管道中 残余液体的积累,压缩天然气的仪器的使用,天然气井田中压力的变化扰动,天然气使用单位不能很平均的使用天然气。能够有稳定的流量流动才是截留装置计算流 量最基本的因素,当我们需要测量的单位产生波动的时候,我们就不能很好的对其进行测量,这样就会使测量的误差增大。因此我们为了让我们最终的测量结果误差 小,就有必要对脉动流进行削弱。
3.3 仪器的设计、安装管理误差分析
(1)仪器的设计误差
仪器差生误差的原因是因为仪器本身设计的不足或者是因为在仪器使用的时候产生了一些不可预测的改变。这种误差主要是以下 几个方面体现出来:第一是因为仪器孔板的上面构成角度的尖锐程度还没有达到预期的标准,仪器管孔的参数没有按照计算制造,仪器控板的高不能达到工作标准, 或者是工作本身就没有按照规定的流程进行,致使工作中出现许多不可逆的失误,最终导致误差的产生。
(2)安装管理误差
那么这个误差会最后发展成一个不能有一个准确判定的持续差生误差的源头。产生这种误差有很强的普通性。比如在施工的时 候,符合要求的施工材料不够,施工的材料参数不能满足施工所需要的参数,这些参数具体体现在材料的长度,材料的制造工艺,材料孔板的形变,还有材料中冗余 物质对材料本身参数造成的映像,材料雷诺参数的不能满足制造所需的要求,材料焊接的位置发生偏差。而管理上面的错误主要在于:工作仪器不是我们所需要的仪 器、孔板的直径不能通过相应的流量,引压管、平衡阀、差压计各连接部位发生的错误,人员自身操作产生的错误。
3.4 流量积算方法不当对计量的影响
现阶段我们使用的一般的孔板节流装置和与它解构不一样的二次测量工具使用不一样的数据计算方法。我们需要使用符合规则的 孔板流量工具来计算天然气的流量,它的数据和天然气的各个方面都有密不可分的联系。假设我们使用的流量测量体系并没有符合相应的配置工具,它就会在工作时 不能够进行准确的计算,使仪器的误差增大。
4 孔板流量计运行中准确计量的影响因素
现阶段我们的仪器维护板的流量统计表经过长期的使用经常出现一下一些问题:
(1)我们使用的最基本的孔板测量仪器,有一个能够测量的范围有限、测量的准确性不高、测量本体的环境因素影响较多时我们需要使用不同的孔板原件。
(2)在一些特殊的时间里,我们的天然气中含有许多的杂质,使天然气的纯度得不到提高。这会让计量仪器管道被堵塞,造成一些其实可以避免的误差。
(3)因为现阶段的天然气与天然气液体不能很好的分开,会让导出压力的管道中和压力计算记因为正压与负面压力而产生多余的水分与油,这会让差压计因为有多余的液体而计算不准确。
(4)孔板在每隔一段时间都需要检查一次,还需要经过洗净与测量常规参数,但是天然气计的工作条件不好,不能每隔一段时间就进行检查与维修。
(5)当介质的压力和温度都发生不同的变化的时候,天然气的体积也会跟随这变化,这会让天然气计出现误差。
5 提高孔板流量计计量精度的措施
我们从计量天然气产生误差的原因入手,研究出几种在进行天然气计量不同时间段的不同办法来降低误差。
5.1 孔板流量计的设计安装上应严格符合技术标准
我们现阶段的孔板节流装置应该要和规定(SY/T6143-1996)所有的指标都要吻合,尤其实在进行安装的时候,必须要与响应的参数来匹配相应的材料,大多数情况下都需要最少前30D。
5.2 消除脉动流
(1)使用风吹,扫除的,清理管道或者在低的地方使用分液器来让管道中多余的液体减少。
(2)我们需要我计量能力能够做到的情况下,使测量管道的内径见效,从而让差压和孔径比得到提高。
(3)在实际工作中,我们要尽可能使用短引压管线,这样的目的是为了让引压管线中的阻力,而且还能让上游和下游的管线的长一样。这样就能在实际工作中降低工作系统里的谐振和压力脉动振幅。
(4)我们需要将测量点的前面增加一个调整压力的阀门,使压力能够平稳的被输出,在测量管前面增加一个缓冲罐用来使气体得到储存和释放也能起到见效误差的作用。
(5)控制计量管段下流阀。
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