摘 要:从采用新型变送器、计量参数和非正常情况的在线修正三个方面,对依据sy/t6143-1996标准进行天然气流量的标准孔板计量时如何提高精度加以论述,并给出具体实例。

0 引 言

目前,天然气的计量在我国以体积计量为主,并且以孔板差压式流量计作为计量天然气流量的主要手段,具有结构简单、制造容易,安装、使用和维护都很方便,可靠性高的特点。

但是,自30年代起广为应用的机械式的双波纹管差压计,由于检测精度低(0.1级)、人工取值、计算烦琐、不能远传、不便管理,后来的差压、压力、温度三笔记录仪方案,也需要人工通过求积仪取值计算,而且记录仪也是机械式的,精度不高(0.5级)。随着微电子技术和计算技术的发展,可以通过采用专用流量计算机或流量计量系统,来克服机械式计量方式以及孔板计量本身的量程比较小、检定周期短、维护环节多、准确度低的弊端,同时也可以尽量减少各种非正常因素对计量精度的影响。

下面本文从采用新型变送器、相关参数的在线实时补偿技术/算法、非正常情况的在线补偿三个方面对采用sy/t6143-1996标准进行天然气流量计量时如何提高精度加以论述。并以某天然气配气站计量系统为例加以对比说明。

1 测量原理及数学模型

天然气流过节流装置时,流束在孔板处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力降低,在孔板前后产生压降。气流的速度越大,孔板前后产生的差越大,从而可通过测量压差来衡量天然气流过节流装置的流量大小。天然气标准体积流量计算公式为:

式中qn—标准状态下天然气体积流量,m3/s

as—秒计量系数,视采用计量单位而定

c—流出系数

e—渐进速度系数

d—孔板开孔直径,mm

fg—相对密度系数

ε—可膨胀性系数

fz—超压缩因子

ft—流动温度系数

p1—孔板上游侧取压孔气流绝对静压,mpa

△p—气流流经孔板时产生的差压,pa

2 提高精度的方法/算法

(1)采用新型变送器

传统的机械式(准确度一般为1.5%)差压流量计精度不高,流量与差压信号的平方根成正比例关系。根据标准,如差压精度为1.0%,差压仪表信号为量程的10%,则不确定度为

当差压信号小于10%时,不确定度更大。反之,由于微处理器技术引入变送器,测量精度得到了极大的提高。目前的智能变送器(如yokogawa、fisher-rosemount、honeywell等公司)的精度均优于0.1%,经开方后,输出信号4~20ma仍保持在0.1%的精度。按照式(2),在差压仪表信号为量程的10%时,得出的不确定度为

显然,采用智能变送器在同等情况下大大降低了不确定度,或在同一不确定度时,大大地延伸了差压信号的使用极限范围。假如仍然保持在3.33%的不确定度的情况下,差压极限范围则可达到满量程的1%。

如果直接采用智能变送器的数字信号的话,则在整个信号量程范围内,可有效地消除4~20ma信号变换所产生的误差,进一步提高全量程范围的测量精度。此时,不确定度按照标准(△p为△pmax的90%时)等于

(2)引入相关参数的在线实时补偿技术/算法

我们通常所说的温度、压力、差压的补偿,求积仪或流量积算仪一般也仅对ft、pi、△p等项进行补偿,通常将c、ε、fz、孔板、管道、气质等参数当作常数来处理。但实际工况与设计工况存在着差异,如不进行这些参数的实时在线补偿将导致计量的不准确。

a)流出系数c

以标准孔板节流件的角接取压为例,c与管径随雷诺数red有下面的关系

从(4)式得知,在red小到一定的数值时,c有较大的变化,因此必须对c加以修正,以便提高系统精度和扩大测量范围。

red计算的实用公式:

式中:qn—标准状态下天然气体积流量,m3/s,按式(1)计算

gr—天然气的真实相对密度

μ1—流动状态下天然气的动力粘度,mpa·s

d—流动状态测量管内径,mm

由式(1)、(3)、(4)得知qn=f(c),而c=f(red),又red=f(qn),这是一个套循环函数的过程,可以采用牛顿迭代法求解。先假设初始red=106,再根据(4)、(2)、(5)依次循环计算出c、qn、red,直到两次的c的相对误差小于某一数值(如5×10-10)时,将最后一次的c代入式(2),得出逼近流量值,用以作为实测流量值。

b)可膨胀系数ε

当气体流经孔板时,由于流速和压力的改变而伴随着密度的变化,为适应此种变化以修正因假设密度等于常量而对流量引起的偏差,因此必须加入一个系数,该系数称作膨胀系数ε。ε值按下面经验公式计算:

可见,一副孔板的ε取决于差压(△p)、静压(p1)和等熵指数(κ)。

c)超压缩因子fz和相对密度系数fgfz是对实际气体特性偏离理想气体定律的修正,它与温度、压力和气体的成分有关。适用条件是:天然气以甲烷为主加上乙烷和重烃,且真实相对密度gr 0.75,n2和co2气体的摩尔分数不超过0.15。在必须进行精确计算时,应当采用在线天然气全组分分析仪进行计算。

由于在线分析仪价格昂贵,因此一般通过计量系统的人机接口来输入气体成分以便尽可能地适应气质的变化,实际工程应用中气质参数的改变一月一次。对fg的修正也是如此。

d)流动温度系数ft

ft是天然气流经节流装置时,气体的平均热力学温度偏离标准热力学温度(293.15k)而导出的修正系数,其计算公式:

假定流体温度在冬天和夏天的温度变化范围为5~35℃,如不修正,将对ft带来大约±2.5%的误差。

e)孔板尖锐度系数bk和管道粗糙度系数rre

由于天然气中的少量腐蚀成分无论如何都会对孔板及其管道产生不同程度的腐蚀、冲刷,因而将直接影响到孔板入口边缘的锐利度和管道的粗糙度使它们偏离标准的要求,从而影响流量的准确测量。当产生这种情况,推荐更换孔板和测量管。如继续使用,可计算出bk和rre,对原流出系数c乘上bk或rre加以修正后再使用。

当孔板开孔直角入口边缘圆弧半径rk 0.0004d(d为孔板内径)时,应当引入bk对c加以修正。rk可以实测或按照前苏联使用的年限t与rk的经验公式(7)获取或按照规定实测得到,然后再根据标准分段内插取值bk。

修正系数rre随测量管内壁相对粗糙度k/d(k为绝对粗糙度mm)和管径随雷诺数red而变化,其值按下式计算:

当red 106时,rre=γ0。γ0与直径比β和粗糙度k/d的倒数有关,其值经分段内插获取。实际应用输入孔板的使用年限/实测rk和管道绝对粗糙度即可自动修正。

(3)非正常情况的在线实时补偿算法

非正常情况主要指除sy/t6143-1996标准未涉及到的其它情况,如信号超限、仪表检定/修、清洗孔板、系统掉电、时钟不同步、人工补偿以其它不可预料的情况等。

a)信号超限

由于智能压力、差压变送器具有超量程输出能力,在设定量程的-5%~110%范围内,信号输出呈线性;超出此范围则输出故障信号-3.2ma和21.6ma。据此,在故障信号出现时,用该时刻前一段时间(如2分钟)的平均值-x代替故障信号值x,用式(9)来表示,直到信号恢复正常为止。

b)仪表检定/修

用于计量的仪表(如配电器、变送器等)按规定必须定期检定/修,此时对应回路的检测信号进入自动补偿状态,补偿算法同(9)式,在检定/修完后回复到正常计量状态。

建议仪表检定/修和下面所讲的孔板清洗/更换在气流比较稳定的情况下进行,尽可能减少补偿误差。

c)孔板清洗/更换

按规定孔板必须定期清洗,检查是否符合要求以及修正孔板的参数(尖锐度系数bk),或则更换不同尺寸的孔板以满足不同的流量需求。在孔板清洗/更换期间,一方面按照算法(9)式进行补偿,另一方面由于取出孔板后,天然气流动时不再被节流,流动情况发生变化,此时仅按式(9)算法补偿已经不再合适,还必须附加另外的修正系数。根据经验,该系数一般取值1.0~1.6之间。

d)系统掉电

对系统掉电期间漏计的流量进行补偿的一般方法是,取掉电前和上电后一段时间(如2分钟)的流量匀值-f1和-f2再乘以掉电时间△t作为漏计量的流量△ft,如式(10)所示。

为了掉电补偿尽可能地接近实际生产,一般对掉电时间有一定的限制,如△t 4小时自动补偿,超出时间限制不宜继续使用,需人工根据经验进行补偿。

e)时钟同步

为了提高系统的可靠性,该计量系统采用积算单元和上位管理计算机两级方式,由于两者时钟的不同步(也便于校准),采用计算机时钟作为基准按照约定的方式对积算单元进行时钟同步。补偿算法如下:

式中terr为二者同步时刻时钟差,-f为该时刻之前一段时间(如24h)的流量均值,△fsync为时钟同步补偿流量值。

计算出△fsync后,在原有流量基础上减去该值即可。

f)人工补偿

上面所述的a)~e)项并不能完全包含十分复杂的非正常情况,因此必须按规定进行合理的人工补偿。

3 工程实例

某天然气配气站其中一条计量支路的d20=149.36mm、d20=65.00mm、gr=0.5731、co2=0.0144、n2=0.0061;压力、差压、温度的量程及精度分别为1mpa(0.075%)、50kpa(0.075%)、±50℃(0.25%),法兰取压,p0=0.0983mpa。每天三种典型的状况是,工况①:p1=0.55mpa、△p=26.0kpa,持续约5h;工况②:p1=0.61mpa、△p=7.5kpa,持续约10h;工况③:p1=0.67mpa、△p=0.75kpa,持续约9h。流体温度随季节而变化,波动范围在5~35℃之间。

经计算得c、ε、fz实际范围如表1(未标明温度则取t=20℃),误差指的是该参数的最大或最小值对一般流量在t=20℃时的相对误差。

孔板尖锐度系数bk

按实测的rk计算出的rk和bk的关系见表2,按孔板的使用年限计算出的t和bk的关系如表3所示。实际应用中,两种修正方式都已提供,可选择使用。

管道粗糙度系数rre和绝对粗糙度k(mm)的关系见表4。

从上述表格数据知道,如不进行相应计量参数的实时在线补偿,都将带来一定的误差。同时由于计量过程不可避免的非正常因素的影响,对可以检测到的因素建立合适的实时在线补偿算法是必要和合理的。

天然气体积流量测量的不确定度计算公式:

根据式(12)计算出的三种工况情况下的不确定度见表5,数值均为百分比,如±0.6%。假定t=20℃。