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标准孔板设计管理软件在天然气流量计量核查中的运用

作者:晁宏洲,黄明基 来源:中国石油塔里木油田分公司油气运销部 发布时间:2021-03-02 08:51:08

 摘要: 文章对 TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件进行了验证,利用该软件计算核查了用户提出异议的标准孔板计量系统存在的问题,同样用该软件设计计算了新孔板的开孔孔径,对更换孔板前后的计量系统做了比对,修正处理了错误的计量数据,消除了计量异议。

       作为一名从事天然气交接计量工作的技术人员,具备一定的与流量计量相关的计算能力是必需的,比如流量计测量管处的流速与流量的互算、工况流量与标况流量的互算、流量计前后压损的计算、管存气的计算、天然气物性参数 ( 密度、压缩因子、发热量) 的计算等。特别是依靠多参数检测的组合仪表,比如标准孔板、标准喷嘴等,计算公式更为复杂,包含的参数更多,在设计和管理此类计量仪表时,计算能力显得更为重要。现在已有很多的由专业公司生产的流量设计计算软件公开发售,为计量工作者提供了方便。在使用这种第三方软件时,只需要对其进行验证后简单操作即可。

       在天然气贸易交接计量过程中,供需双方之间的计量争议不可避免、经常发生而且普遍存在。当供需双方对计量的天然气量不能一致认可,无法正常结算时,需要通过一定的管理程序,借助必要的技术手段,开展计量核查,做出一个公正的处理。借助流量设计管理软件,发现技术问题,解决 技 术 问 题,从而消除计量争议,化 解 计 量纠纷。 

1 验证

       早在某油田开始对地方周边供气时,供气方为了减少投资成本 ( 不设备用回路) 和仪表检定方便,大量设计建设了标准孔板计量系统。标准孔板计量系统是目前各类天然气贸易交接计量仪表中相对复杂的,设计和管理难度相对较大。因为其关联参数多,配套检测仪表多,使用标准孔板流量计测量天然气流量,根据现行检测方法标准 GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》[1],天然气在标准参比条件下的体积流量计算实用公式为: qVn = AVnCEd2FGεFZFT ( P1Δp) 1 /2 ( 1)式中: qVn为天然气在标准参比条件下的体积流量; AVn为体积流量计量系数视采用计量单位而定; C 为流出系数,有专用的复杂计算公式; E为渐近速度系数,有专用计算公式; d 为孔板开孔孔径,标准孔板的检定证书上载明; FG 为相对密度系数,有专用计算公式; ε 为可膨胀性系数,有专用的复杂计算公式; FZ 为超压缩系数,有专用计算公式; FT 为流动温度系数,有专用计算公式; P1 为孔板上游侧取压孔气流绝对静压,仪表检测得到; Δp 为气流流经孔板时产生的差压,仪表检测得到。

       除了式 ( 1) 中列出的各项参数需要大量的计算外,还有背后的隐性的大量参数同样需要计算,比如通过 GB /T 17747 《天然气压缩因子的计算》[2]计算得到 Z 值,通过 GB /T 11062 《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》[3]计算得到 ρ 值等。GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》中还给出了大量的参数表格供计算采用,也给出了流量、孔板开孔孔径、差压的迭代计算公式供使用者计算机编程根据流量计算公式,一般开展三方面的计算: 

       ①根据差 压 计 算 流 量; 

       ②标准孔板开孔孔径的计算; 

       ③根据流量计算差压。在实际计量过程中, 第②项主要用在孔板计量系统的设计计算,而第①、第③项主要用在日常的管理,特别是在计量争议发生时用以验证计量系统的符 合 性、准确性。

       公开发售的第三方专业软件需要依据标准进行验证无误后才能在计量系统的设计和管理中运用。运用北京博思达公司生产的 TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件对 GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》标准附录 F “天然气流量计算和设计计算实例”中的三类计算过程进行复核,验证软件的正确性。 

1. 1 根据差压计算流量

完全采 用 标 准 附 录 F. 1. 1 中的所有已知条件[1],计算标准孔板测量的天然气流量,标准计算结果为 8. 312 3 m3 /s,即 29 924. 3 m3 /h。软件计算结果为 29 906. 5 m3 /h,相对偏差为 0. 059% 。 1. 2 计算孔板开孔直径完全采 用 标 准 附 录 F. 2. 1 中的所有已知条件[1],计算标准孔板开孔直径,标准计算结果为d20 =148. 94 mm,软件计算结果为 d20 = 147. 39 mm,相对偏差为 1. 040% 。

       标准孔板开孔孔径的计算不必要求精确,以满足给定的操作条件为准。设计计算的标准孔板经过制造加工后,还要经过法定或授权的计量技术机构 的 检 定,以检定证书上载明的实际尺寸为准。 

1. 3 根据流量计算差压

       完全采 用 标 准 附 录 F. 3. 1 中的所有已知条件[1],计算天然气流经标准孔板前后的差压,标准计算结果为 12 017 Pa,软件计算结果为 12 029 Pa,相对偏差为 0. 100% 。差压量程设计计算不必要求精确,以满足给定的操作条件为准。设计计算的差压量程过适当扩展后,不但要符合标准规定的测量区间要求,还要方便差压变送器规格的选择。经过以上 3 类计算,验证了 TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件完全符合GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》标准,在实际的天然气标准孔板计量系统的设计和管理中可以放心运用。

2 运用

       某油田为周边一化工厂供气,以天然气为原料加工生产高附加值的化工产品。标准孔板计量系统在投用后一段时间,用户多次来函提出计量异议,称商品气贸易交接计量量与其化工装置计算消耗量严重不符,并与其入厂原料气对接计量的标准孔板计量系统计量值差异很大。接到用户的计量异议后,供气方随即对供需双方贸易交接计量的标准孔板计量系统开展计量核查,查找和解决问题。 

2. 1 问题的查找

       供气方对计量系统的各类计量仪表检定证书进行查验,证明标准孔板、压力变送器、温度变送器、差压变送器均经依法检定且在有效期内,又使用 TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件采集同一时刻的压力、温度、差压参数,计算验证供气计量系统流量计算机内置的孔板算法程序符合标准规范。再对各类仪表的使用区间进行查验,发现存在两个问题: ①工作温度4. 376 ℃,处在温度变送器测量范围 0 ~ 100 ℃ 的 4. 4% 处; ②工作差压1. 068 7 kPa 处在差压变送器测量范围 0 ~ 60 kPa 的 1. 8% 处。与 GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》 标准附录C. 1. 2 “仪表量程选用规定”要求的 “天然气温度变化应在等分刻度温度仪表满量程的 30% ~ 65%范围内”和 “差压值应在满量程的 10% ~ 90% 范围内”不符,说明温度和差压测量仪表选型不正确或者使用不当。

       考虑到温度对天然气流量计量的影响较小,且采购和更换温度变送器较为简单快捷,供气方把解决问题的落脚点确定在核准差压测量上。差压变送器经检定合格,说明仪表本身不存在问题,分析是由于标准孔板大小选型不当,造成 “大马拉小车”导致差压测量值偏小,流量计使用在测量范围的下限值以下区间。需要经过设计计算,选择合适开孔孔径的标准孔板,适应实际的天然气流量变化范围。 

2. 2 问题的解决

       正确查 找 到 问 题 的 原 因 之 后,供 气 方 借 助TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件设计计算合适孔径的标准孔板,现场计量工艺条件如下。

     (1) 测量管内径: D = 199. 113 mm,20 号钢的新无缝钢管。 

       ( 2) 气 体 常 用 流 量: 7 800 Nm3 /h,zui 大 流量: 8 500 Nm3 /h,zui小流量: 2 700 Nm3 /h。 

       ( 3) 气流常用温度: t = 5. 6 ℃。 

       ( 4) 气流常用表静压: p1 = 3. 355 MPa。 

       ( 5) 当地常用大气压: Pa = 0. 090 3 MPa。 

       ( 6) 节流装置要符合 GB /T 21446—2008 标准相关技术规定,法兰取压。 

       ( 7 ) 温度测量系统不确 定度小于或等于0. 2% ,测量范围 0 ~ 100℃ ; 压力测量系统不确定度小于或等于 0. 25% ,测量范围 0 ~ 5. 5MPa; 差压测量系统不确定度小于或等于 0. 25% ,测量范围 0 ~ 60 000 Pa。

       ( 8 ) 天 然 气 组 分 ( 摩 尔 分 数% ) : 甲 烷89. 461; 乙烷6. 22; 丙烷1. 29; 丁烷0. 279; 异丁烷 0. 250; 戊 烷 0. 054; 异 戊 烷 0. 079; 己 烷+ 0. 028; 氮气 2. 25; 二氧化碳 0. 089。

       专业软件计算出的现场计量工艺条件下的合适标准孔板开孔孔径值为 ( 44. 787 ± 0. 022) mm。供气方按照 d20 = ( 44. 787 ± 0. 022) mm 的尺寸向孔板节流装置厂家订购了新的标准孔板,送中国测试技术研究院检定后,实测 d20 = 44. 841 mm。将新的标准孔板装入孔板节流装置,瞬时流量立刻有了较大的变化。孔板计量系统在更换标准孔板前后的对比如表 1 所示。

供气计量系统更换标准孔板前后对比

       完全按照供气孔板计量系统的现有工艺和仪表参数,再次运用 TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件计算差压满量程 10% ~ 90% 范围内的流量点,证明天然气在标准参比条件下体积流量测量不确定度均小于 1. 0% ,满足GB /T 18603 《天然气计量系统技术要求》[4]标准规定的一级 B ( 2. 0) 计量系统准确度要求。计算结果如表 2 所示。

更换孔板后计量系统流量测量不确定度

       从表 2 数据可以看出,在差压变送器满量程0 ~ 60 kPa 的 10% ~ 90% 区间范围内,标准孔板计量系统的流量测量不确定度均满足标准要求且随着差压的增大,测量不确定度在减小。

2. 3 差异量的处理

       考虑到为化工企业供气,供气流量虽然较稳定,但瞬时流量还是有一定程度的变化,采取标准孔板更换前后一周内的日供气量数据加和计算供气计量误差,对更换标准孔板前存在问题的计量数据进行修正。计量相对误差为 7. 975% ,更换孔板前后日累量如表 3 所示。

更换标准孔板前后供气量

       按照 7. 975% 的误差数据对更换标准孔板前存在问题的供气量进行修正,按照公平公正原则对多计量的气量予以核减,核减后的贸易交接气量与用户化工厂入厂对接计量气量非常接近,计量异议消除。

       笔者在多次开展标准孔板计量系统天然气流量计量核查的管理实践过程中,发现孔板流量测量算法程序不符合 GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》标准规定的情况较多。很多用户在贸易交接计量系统中也未配置流量计算机,孔板流量算法程序内置在上位机 PLC、RTU 或 DCS 中,算法程序也不标准。中国石油 《油气储运项目设计规定》输气管道天然气计量系统通用技术规格书要求 “流量计算机应为专用产品,不接受采用通用 RTU、PLC 进行计算的产品。流量计算机需获得 OIML、PTB、NEL 或 API 贸易计量认证”。在油气田的中间过程计量中,标准孔板计量系统普遍不会配置专用流量计算机,孔板算法程序很粗略,虽然各项仪表检测结果准确,但流量计量结果往往都是不准确的,需要配置符合标准的孔板流量计算转换单元。 

3 结语

       ( 1) 对照 GB /T 21446 《用标准孔板流量计测量天然气流量》标准的 3 类算例,验证 TRQ-2004- 02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件算法程序符合标准要求,具有很高的准确度,可用于标准孔板计量系统的设计和管理。 

       ( 2) 借助 TRQ-2004-02 天然气流量测量标准孔板设计及管理软件对用户提出异议的标准孔板计量系统查找存在的问题,设计计算合适尺寸的标准孔板,对计量系统进行整改,整改后经验证符合标准要求,依照比对误差对不准确的交接气量进行修正,消除了计量异议。 

       ( 3) 标准孔板计量系统存在问题多集中在孔板开孔孔径大小不适宜,在流量计算环节的算法程序也常常不符合标准规定。很有必要在标准孔板天然气贸易交接计量系统中配置专用流量计算机,在过程计量系统中采用流量计算转换单元予以规范。

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