标准孔板流量计测量天然气计量附加误差分析

标准孔板流量计的设计安装要求及气质要求比较苛刻，在实际工况条件下，因很难符合因 GC/T214462008
《用标准孔板流量计测量天然气流量》国家标准的要求，因此必会产生流量计计量附加误差。本文结合现场实际情况，对产生计量附加误差的原因进行分析及解决方法进行探讨。
一、孔板流量计测量原理
当流体流经管道中的孔板时，流束将在孔板处形成局部收缩，流速增加、静压力降低，在孔板前后产生微小的静压力差（称为差压）。流体的流速增快，孔板前后产生的差压相应增大，从而可以通过测量差压来间接测量天然气流量的大小。

二、产生计量附加误差的原因分析

1.上下游直管段长度不够，弯头过多
直管段长度不够，气流得不到充分发展，将造成计量结果的较大误差。 GC／ T21446－2008规定的最短直管段长度，在现场实际中一般很难得到满足，特别是由于输气工艺等原因，计量装置的上游往往都存在弯头。如果是单弯头或平面双弯头将使计量结果偏高，对于多个弯头，将使计量结果偏低。因此应该在节流装置之前加装整流器，避免旋转流、涡流对计量的影响。
2.天然气的气质和气流条件
GC/T21446-2008规定，通过孔板的天然气是经净化处理后的天然气，气流的流动应是保持亚音速的、稳定的或仅随时间缓慢变化的，气流是均匀单相的牛顿流体。若气体含有质量分数不超过 2%的固体或液体微粒，
且呈均匀分散状态，也可以认为是均匀单相的牛顿流体。气流流经孔板以前，其流束应与管道轴线平行，气流流动应为充分发展紊流且无漩涡，管道横截面所有点上的漩涡角小于 20，即认为无漩涡。
通过计量调查发现，目前，在油田天然气计量中约 50%的计量点其气流条件具有以下两个特点：
（1）气体流量不稳定，并随时间周期性地大幅度变化，属脉动流体。产生脉动源的原因： ①往复式压缩机、发动机和叶片式增压机。 ②调压阀猛开关或者阀芯松动和磨损。 ③大量水或油的冷凝物在管线中不规则运动。
（2）气质中含水量大，并夹带原油及微量颗粒杂质，气流流经节流装置时产生凝析液。气质、气流条件达不到 GC/T21446-2008中规定的要求，必将产生计量附加误差。为了获得准确的计量值，必须抑制气流的脉动及消除气质中的水分及杂质。

解决措施：
进入流量计的气体必须先通过气液分离器、过滤器。 ①把测量管装在对消除脉动来说较为有利的位置，例如装在调压阀的入口或远离脉动源。 ②为了减少脉动幅度，可在脉动源和测量管之间的管线上加装一个容器，或者设计专门的脉动衰减器。把节流阀或限流器装在脉动源和测量管之间是减少脉动的最有效方法，但是这种方法压力降过大，除非条件许可，否则不宜采用。 ③在差压仍然保持较高的前提下，操作可用较小的测量管，而孔板开孔直径基本不变。 ④在流量计前、后取压管出口处分别加装一个具有一定容积的气液分离器，使进入流量计的差、静压信号达到先气液分离及缓冲后再进入计量装置。 ⑤导压管路上的上、下游导压阀应选用大通径的球型阀。 ⑥为了防止导压管的冻堵，必须对导压管路进行保温，并增加加热补偿保温措施。 ⑦对于因下游波动源而引起计量点气流脉动的情况，可通过调整流量计下游侧阀门的阀位（关小），使计量点气流脉动幅度减小。试验证明，采用关小计量管下游阀的方法来控制气流的脉动效果十分明显。此方法在实际使用时，必须在确保安全生产的情况下进行。试验证明，通过上述方法能有效地抑制气流的脉动、消除气质中的水分及杂质，减少流量计的计量附加误差。
3.标准孔板
（1）在长时间的使用过程中，标准孔板由于被天然气侵蚀或机械磨损而产生变形，孔板的光洁度下降，入口的尖锐程度变圆，使其圆弧半径不能满足标准要求。尖锐度变圆后对计量的影响是使计量数据比实际流量偏低，最大可能达到偏低 10%。
（2）标准中规定孔板厚度 E应介于孔板开孔厚度 e与 0.05D之间。如果超出这个范围，将使气流流过孔板的阻力损失增大，使计量值比实际流量高，造成 1%以内的附加计量误差。
（3）孔板孔径尺寸测量不准确。没有及时送到检定部门进行检定，而是用游标卡尺在现场进行测量，由于没有在标准状况下（绝对压力为 101.325kPa、热力学温度为 293.15K）进行检定，当现场温度较高时，所测孔板孔径值将偏高，造成流量计算值比实际流量值偏高。
（4）孔板装反，使差压降低，造成计量气量比实际气量偏小约 10%～17%。解决措施：
以上分析了产生计量附加误差的原因，为了消除或减少附加误差，必须做如下几项工作：
①根据误差产生的原因，采取相应的措施。为了准确测量流量，孔板板面必须平整、干净，并且与管道的轴线垂直。孔板开孔与管道轴线同轴同心，上游边缘必须是矩形，直角入口 G十分尖锐，锐缘如果形成圆弧 rk，则 rk必须小于等于 0.0004d。当有斜边开孔的孔板被使用时，必须把斜边面向下游安装，否则会测量不准，造成 8%以上的负误差。应当记住很重要的一点，孔板即使仅有细微的不标准（如孔板开孔 d入口边缘缺口，板面弯曲、加工粗糙，边缘不尖锐，rk>0.0004d，板面脏，板面方向安装不当等），也会引入严重的测量附加误差。所以在孔板设计、加工、检验、安装和使用中，一定要确保符合标准。确保孔板平整干净、不变形、无缺口和无撞擦伤、直角入口边缘尖锐，以及正确安装都是十分重要的。 ②定期对孔板进行检查、清洗，按检定周期及时送到检定部门进行检定。 ③为了避免人为过失造成的计量误差，要加强计量管理和人员的培训工作。
4.差压变送器
差压变送器是指能将差压值变换成（4~20）mA标准模拟信号输出至流量管理器或工业控制机的仪表。很大程度上，其准确度的高与低、性能的好与坏，对流量计的计量结果影响十分大。实际工作中，由于没有按照设计要求进行差压变送器的选型、安装和使用中的维护保养，导致流量计产生计量附加误差的情况经常发生。（1）差压变送器的准确度等级和量程范围的选择不正确，没有按照 GC/T18603-2001《天然气计量系统技术要求》进行选型，就会造成 “小马拉大车或大马拉小车 ”现象的出现，进而引入计量附加误差。（2）差压变送器的零位偏高，造成差压值偏大，使计算气量比实际气量偏大。（3）差压变送器的三阀组漏气或堵塞。高压阀漏气，将导致计算气量比实际气量偏小，低压阀漏气将导致计 算气量比实际气量偏大，平衡阀内漏将导致计算气量比实际气量偏小。
解决措施： ①严格按照 GC/T18603-2001的要求进行选型、安装。 ②定期对差压变送器进行回零检查，发现有异常或超差情况时，及时进行校准，到期检定。 ③定期对差压变送器进行排污验漏检查。 ④冬季气温下降，特别是油田伴生气含水量增多，易发生冻堵，需增加排污次数，给差压变送器加装保温设备。
5.差压信号传递失真及引入的误差
差压信号传送失真使得差压变送器上接收到的差压信号与节流装置所产生的差压信号不相等，从而引起计量附加误差。差压信号传送失真包括稳态值失真和动态失真。在稳定流条件下只存在稳态值失真，在脉动流条件下，既可能存在稳态值失真又会有动态失真。稳态值失真可能引起的部位和原因有导压管引向不合理、切断阀设置不当、隔离液液位高度不相等、正负压引压管坡度不合理、管内介质密度不相等、三阀组积液等。
（1）切断阀设置不当引起的误差 GC／ T21446－2008要求导压管路上的阀门除排污阀以外应采用与导压管同内径、高密封性能的阀门，优选直通球阀。但有的节流装置厂家提供的取压阀门却是针形阀，很容易造成堵塞和冻堵，需要在订货时让厂家直接配备球阀或进行现场更换。
（2）隔离液液位高度不相等引起的误差导压管线中带隔离器是为了利用隔离液将腐蚀性介质同差压变送器隔离。隔离液刚刚充罐时，通过三阀组的平衡阀能使两只隔离容器中的隔离液液位高度相等，但是运行一段时间后由于隔离液泄漏或在运行时误开平衡阀，导致隔离液液位高度不相等，从而引入附加差压。
（3）导压管线引起的传送失真节流装置导压管的作用是将节流装置所产生的差压信号不失真地传递到差压变送器，但从现场的实际情况看，导压管的配置还存在很大问题。
①上游或下游导压管漏气主要发生在焊缝、阀门盘根、排污阀处，将使计量误差增大。 ②导压管路过长，产生静、差压信号的失真，造成计量附加误差。 ③导压管过细，造成管路堵塞，冬季冻堵，计量仪表不能正常运行。 ④上、下游导压管方向接反，造成差压信号严重偏小，计量误差约 30%。 ⑤保证导压管线合理的坡度是为了使管内可能出现的气泡较快地升到气体收集器内或母管内，使管内可能出现的凝液较快地下沉到沉降器、排污阀或母管内。导压管线的内径和被测流体的性质与总长度有关，如表 1所示。导压管线应垂真或倾斜敷设，其坡度应不少于 1∶12，对黏度较高的流体，其坡度还应增大，当导压管线的传送距离大于 30m时，应分段倾斜，并在最低点设置沉降器和排污阀。当不出现凝液时可酌情降低倾斜度。为避免正负压信号管内介质温度不一致，导致密度出现差异，引起传送失真，正负压管线应尽量靠近敷设，尤其是导压管线中出现凝液时，导压管线中的凝液会因环境温度太低而凝固、结晶或结冰，因此需要伴热保温。
以上分析了产生计量误差的原因，要解决问题还必须做好以下工作：
（1）严格按照标准的要求进行导压管的设计安装。（2）新建计量装置时对施工质量要高标准、严要求，加强现场技术监督。（3）加强计量装置的日常管理，加强对计量装置、计量仪表检查维护，确保计量装置无跑、冒、滴、漏现象的发生。（4）对气质可能出现凝析液或环境温度较低时，应定期对仪表的导压管路进行放空、排污及蒸汽吹扫，确保导压管畅通。
三、结束语
解决了上述问题就能极大地消除流量计的计量附加误差。但影响流量计的计量误差因素很多，如天然气的组分影响、管道粗糙的影响、电信号引线的影响、上下游用户计量方式不同等。因此，不仅要解决上述问题，还要改进工艺流程，加强计量监督检查，提升计量人员的业务水平，让他们熟悉计量法律法规及计量交接协议的规定。只有这样，才能使流量计的计量附加误差降至最低，提高标准孔板流量计的计量准确性。