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天然氣流量計算? ------關(guān)于對國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21446-2008 用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》的探討
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     領(lǐng)域:SCADA-RTU     行業(yè):石油天然氣    
  • 點擊數(shù):5431     發(fā)布時間:2011-06-28 10:17:49
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本文主要是針對天然氣流量計算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在應(yīng)用過程中遇到的個別問題做了探討性分析。同時引用了國家標(biāo)準(zhǔn)的公式和數(shù)據(jù)表,敘述了遇到的問題和解決的方法,并做了相關(guān)的試驗,取得了相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。天然氣流量計算在應(yīng)用過程中,除了計算準(zhǔn)確性以外,還需要考慮清洗孔板時補(bǔ)償量的計算問題。

    1 引言

    在天然氣集輸過程中,配氣站是天然氣外輸?shù)淖罱K環(huán)節(jié),配氣站的天然氣計量至關(guān)重要,計量準(zhǔn)確與否不但影響天然氣供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益,而且影響計量交接、氣量結(jié)算、企業(yè)信譽(yù)。由于天然氣計量的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體計量,計量結(jié)果的影響因素繁多,計算公式復(fù)雜,因此,采用高準(zhǔn)確度的自動計量是供需雙方的迫切要求,也是計量技術(shù)新發(fā)展的迫切需要。計量的準(zhǔn)確性取決于三個方面的要素:

    •設(shè)備安裝是否規(guī)范。

    •信號采集是否穩(wěn)定可靠,誤差是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

    •計算誤差是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

    對于生產(chǎn)計算設(shè)備的廠家來說,主要考慮2、3要素,比如北京安控科技股份有限公司(以下簡稱“安控科技”)的天然氣流量計算機(jī)HC601,首先要求信號采集穩(wěn)定可靠,精度達(dá)到1‰;其次要求計算誤差小于1‰。本人在實踐過程中,總結(jié)了以下幾點。

    2 編寫計算流程容易忽略的問題

    我國推行的標(biāo)準(zhǔn)是《GB/T21446-2008 用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》,這個標(biāo)準(zhǔn)并沒有提到公開的核準(zhǔn)軟件,各鑒定機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)計算數(shù)據(jù)的方式不盡相同,影響計算結(jié)果的因素又較多,稍有不慎就有偏差超過1‰的可能。盡管將計算程序編寫出來,計算的結(jié)果也能符合標(biāo)準(zhǔn)的實例,但是往往因為沒有行業(yè)經(jīng)驗,很容易忽略2個問題:

      (1):尖銳度計算

      由于國內(nèi)孔板材質(zhì)較差,孔板只是在最初使用時才可能符合標(biāo)準(zhǔn)要求,使用一段時間后孔板的入口邊緣的磨損加劇,在孔板的上下游產(chǎn)生的差壓減少,使流量計算的結(jié)果比實際流量偏小,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T21446-2008》6.1.6.2的解釋,當(dāng)rK大于0.0004d時,參見附錄D處理。其中rK表示孔板直角入口邊緣圓弧半徑,d為孔板直徑。標(biāo)準(zhǔn)《GB/T21446-2008》附錄D明確了處理辦法,當(dāng)rK/d>0.0004時,推薦更換新孔板,若不更換,則必須糾正流出系數(shù)C,糾正公式如下:

    C′=C X bK (1)

    bK與rK/ d 的關(guān)系如下表:

                                        表1 bK與rK/ d 的關(guān)系
   
                      

     在生產(chǎn)過程中,一般使用孔板年限作為尖銳度計算的輸入?yún)?shù),那么孔板年限t的取值為0~+∞,實際情況下孔板使用超過10年就得更換,這里不展開詳述。從公式可以看出,當(dāng)t=0時,rK=0.03mm, 即使是新孔板,只要d≤75mm ,都需要糾正流出系數(shù),這與實際陳述有矛盾,或許此公式的成立必有特定條件,比如d必須大于75mm,但是標(biāo)準(zhǔn)中并沒有特別說明,除非我們不用此公式,通過實測來獲得rK,在生產(chǎn)過程中實測rK是比較困難的,不利于生產(chǎn)。我們的經(jīng)驗做法是將新孔板定義為1個月,所有新孔板,當(dāng)在一個月內(nèi)使用,不需要糾正流出系數(shù)。

      (2):粗糙度計算。

    在計量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定節(jié)流裝置的前后直管段必需是光管,但現(xiàn)場施工時往往采用的是無縫鋼管代替了光管,一開始就達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求,使用一段時間后,管線磨損加劇,管壁銹蝕斑斑,特別在管道含硫,二氧化碳等腐蝕介質(zhì)時,管道粗糙度更加偏離,需要糾正流出系數(shù)。

    當(dāng)然,需要糾正流出系數(shù)C還需要一個前提條件,當(dāng)直管段內(nèi)壁粗糙度滿足104Ra/D計算的值小于或等于表2給出的最大值并大于或等于表3給出的最小值,不需要糾正流出系數(shù)。

    Ra=K/л (2)
 
    K :表示鋼管內(nèi)壁絕對粗糙度,可以測量出來,計算時需要輸入此值。

    D :表示測量管內(nèi)直徑。

                                         表2 104Ra/D的最大值 
                      
 
                                        表3 104Ra/D的最小值
                   
 

    在使用過程中如對上游10D的直管段內(nèi)壁進(jìn)行檢測,其內(nèi)壁粗糙度不符合表2表3的規(guī)定,參見標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21446-2008》的附錄D處理。

    在不符合表2表3規(guī)定時,分析以下條件是否滿足:

    1〉1μm≤Ra≤6μm,D≥150mm,β≤0.6,ReD ≤5 X 107 ;

    2〉1.5μm≤Ra≤6μm,D≥150mm,β>0.6,ReD ≤1.5 X 107

    滿足以上2條件不需要糾正流出系數(shù)C,其它情況下不滿足表2表3規(guī)定需要糾正流出系數(shù)。

    附錄D處理公式如下:

    C’=C X γRe (3)

    γRe =(γ0-1) (4)

    當(dāng)ReD≥ 106時,γRe0

    下面是γ0與直徑比β2和相對粗糙度的倒數(shù)D/K有關(guān),見值表:

                        表4 γ0與直徑比β2和相對粗糙度的倒數(shù)D/K相關(guān)值
                         

    從這個表分析D/K 下界是400,上界+∞ ,從結(jié)果分析只要≥3200,γ0都是1,生產(chǎn)過程中,很可能會遇到D/K<400的現(xiàn)象,標(biāo)準(zhǔn)沒有給出明確的解決辦法。按照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用,不應(yīng)該出現(xiàn)此類現(xiàn)象。事實上測量管內(nèi)經(jīng)越小,要求內(nèi)壁粗糙度越小,才能滿足計量要求,否則需要更換。

    總之,這兩個問題是很容易被忽略的,影響流出系數(shù)的整體公式如下:

    C’=C X γRe X bK (5)

    這兩個因素對計量的準(zhǔn)確度超過了估計值,因此必須考慮。

    3 如何計算未知組分的天然氣流量

    國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17747.3-1999 天然氣壓縮因子的計算第三部分:用物性值進(jìn)行計算 》,適應(yīng)無法得到氣體摩爾組分來計算天然氣的壓縮因子。通過該標(biāo)準(zhǔn),壓縮因子可以得到,我們知道計算天然氣流量,不僅與壓縮因子有關(guān)系,還與其它因子也有關(guān)系,下面我們來看計算天然氣流量的公式:

    標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量

    qVn  =   (6)

    (7)

    利用《GB/T 17747.3-1999》標(biāo)準(zhǔn),可以計算出Z1,但是計算不出Zn,Zn的計算公式如下:

   (8) 

       其中  √bj  天然氣 j 成分的求和因子,按標(biāo)準(zhǔn)可查表計算,都是常數(shù);
 
    Xj :天然氣組分的摩爾分?jǐn)?shù),由氣分析給出;

    n :天然氣組分總數(shù),目前有21種。

    因為無法獲得組分,因此Zn無法求出,流量計算的結(jié)果也就無法得到,在標(biāo)準(zhǔn)中再沒有其它公式可以直接獲得Zn。根據(jù)我們掌握的知識以及標(biāo)準(zhǔn)提供的公式可以推導(dǎo)如下:

    物性值計算參數(shù)輸入: d, Hs, Xco2 (二氧化碳組分),XH2(氫氣組分)

    其中,相對密度d是指在相同的規(guī)定壓力和溫度的條件下,氣體的密度除以具有標(biāo)準(zhǔn)組成的干空氣的密度。這里的規(guī)定條件是273.15K,101.325kPa

    1〉計算標(biāo)況下真實氣體密度

    ρn(真實氣體密度)=d*ρn(干空氣真實密度) (9)

    ρn(干空氣真實密度)=1.292932kg.m-3 (10) 

    2〉計算摩爾質(zhì)量

    ρ(質(zhì)量密度)=M*ρm(摩爾密度) (11)

    在標(biāo)況下計算摩爾質(zhì)量

    M=ρn(真實氣體密度)/ ρm,n(摩爾密度) (12)

    3〉計算標(biāo)況下摩爾密度(ρm,n

    根據(jù)GB/T 17747.3-1999(公式B4),得出摩爾密度與Bn(v)的關(guān)系,迭代計算出摩爾密度,公式如下:

    Vm,n(理想)=RTn/Pn (13)

    R=0.00831451

    Tn=273.15K

    Pn=0.101325MPa

    ρm,n=1/[Vm,n(理想)+Bn(v)] (14)

    根據(jù)迭代首先計算出等價烴摩爾發(fā)熱量,然后將結(jié)果代入計算出新Bn(v),再次重復(fù)迭代計算出Bn(v),迭代結(jié)束,Bn(v)結(jié)果已知,從而獲得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾密度ρm,n,代入式(12),可求得摩爾質(zhì)量M。

    4〉計算理想氣體相對密度

    根據(jù)摩爾質(zhì)量和以下公式,可以算得天然氣理想相對密度Gi

     Gi=M/Ma (15)

     Ma(干空氣摩爾質(zhì)量,常數(shù)28.9626)

    5〉計算Gr 真實天然氣相對密度和Zn,在標(biāo)準(zhǔn)參比條件(293.15,101.325kPa)下:

   (16)

     再根據(jù)

     Gr=d(273.15,101.325kPa)/1.0003 (17)

    這里d是輸入?yún)?shù),Gr可以計算出來,代入式GB/T 21446-2008 (A.7),可得出:

    Zn=Za/Gr*Gi (18)

    Za表示干空氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子,常數(shù)0.99963,Zn獲得,F(xiàn)z可以計算出來,其它量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以計算出來,從而在未知天燃?xì)饨M分的條件下,可以計算出天然氣的流量。

    6〉數(shù)據(jù)驗證:

    根據(jù)以上的公式,進(jìn)行實際演算。我們用已知組分、壓力、差壓、溫度等參數(shù),在相同條件下的對同組氣體,使用標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17747.2-1999 天然氣壓縮因子的計算 第二部分:用摩爾組分進(jìn)行計算》和《GB/T 17747.3-1999 天然氣壓縮因子的計算 第三部分:用物性值進(jìn)行計算》兩種方式計算壓縮因子,并計算相應(yīng)的流量,通過對比發(fā)現(xiàn),兩種計算誤差不會超過1‰,符合標(biāo)準(zhǔn)的不確定度。見下表,相同條件下用孔板計量6組氣樣作對比:

     差壓P1=5000Pa,壓力P=10MP, 溫度T=15℃,管徑50mm,β=0.75,孔板年限0年,管壁粗糙度0.0,當(dāng)?shù)卮髿鈮?.0965MPa,法蘭取壓,孔板材料膨脹系數(shù)16. 60X10-6 ,測量管膨脹系數(shù)11.16X10-6 。

                                     表5:GB/T 17747.3-1999算法輸入條件
                     

                                  表6:GB/T 17747.2-1999算法輸入條件
                    

    六組氣樣,相對密度系數(shù)d與高位發(fā)熱量Hs都可以通過摩爾組分計算出來,這里不細(xì)說。

                                      表7:體積秒瞬量計量結(jié)果比較
          
                        
   
    4 計算秒體積發(fā)熱量比計算秒質(zhì)量發(fā)熱量大的原因

    天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源,用來發(fā)電、供暖、烹飪等行業(yè),同時還是國家的重要化工原材料。對用于燃燒發(fā)熱的行業(yè)來說,發(fā)熱量是用戶最關(guān)心的,在相同條件下,同樣體積的氣體,由于氣體成分不相同,發(fā)熱量就不一樣,有的天然氣發(fā)熱量高,有的天然氣發(fā)熱量低。各地生產(chǎn)的天然氣的組分不盡相同,如用體積計量,用戶所用氣體組分不同,完成相同任務(wù),使用的天然氣數(shù)量不一樣,付費也就不一樣。為了體現(xiàn)公平,計量氣體的發(fā)熱量就成為供需雙方共同關(guān)心的焦點,用戶可以按照發(fā)熱量進(jìn)行付費。

    按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21446-2008》計量天然氣發(fā)熱量時,我們發(fā)現(xiàn)每秒體積發(fā)熱量與每秒質(zhì)量發(fā)熱量有一點差別,并且每秒體積發(fā)熱量總是稍大于每秒質(zhì)量發(fā)熱量。按道理天然氣流經(jīng)孔板計量的流量,不管用體積計量還是質(zhì)量計量,發(fā)熱量總是相等,但事實上演算得到的結(jié)論是不相等。

    比如:我們用上述1#氣樣,孔板計量體積流量是1.0838m3 /秒 ,質(zhì)量流量是0.7587kg/秒,秒體積發(fā)熱量是41.0642MJ/秒,秒質(zhì)量發(fā)熱量是41.0638MJ/秒,差0.0004MJ/秒 。

    究其原因如下:

    1〉 標(biāo)準(zhǔn)參比條件下,天然氣體積發(fā)熱量

    qevns = qvns HsPn/R/Tn/Zn

    = qvnsHs/Zn(Pn/(R*Tn) (19)

    qevns : 表示每秒體積發(fā)熱量

    Hs : 表示摩爾發(fā)熱量

    Pn : 常數(shù)0.101325Mpa

    Tn : 常數(shù)293.15K

    R : 常數(shù)0.00831451

    Zn : 天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子(見公式18)

    2>標(biāo)準(zhǔn)參比條件下,天然氣質(zhì)量發(fā)熱量

    qems = qms Hs/M

    = Ams/AvnsqvnsGrHs/M

    = qvns(Ams/Avns)ZaM/(ZnMa)(Hs/M)

    = qvnsHs/Zn(AmsZa)/(AvnsMa) (20)

    qems :秒質(zhì)量發(fā)熱量

    qms :秒質(zhì)量 

    Ams :質(zhì)量流量計量系數(shù),秒質(zhì)量系數(shù)為3.8295X10-6

    Avns :秒體積計量系數(shù)為3.1795X10-6  

    Gr :標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的真實相對密度

    Hs :表示摩爾發(fā)熱量

    M :摩爾質(zhì)量

    Zn :天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子(見式3)

    Za :干空氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子,值為0.99963

    Ma :干空氣摩爾質(zhì)量,值為28.9626

    經(jīng)過式(1)和式(2)對比發(fā)現(xiàn),式(19) Pn/(R*Tn)與式(20) (AmsZa)/(AvnsMa),是兩式中的不同部分,并且這部分都是常數(shù),經(jīng)計算得出:

    Pn/(R*Tn) = 0.04157096

    (AmsZa)/(AvnsMa) = 0.04157047

    結(jié)果是用體積計算的發(fā)熱量常數(shù)部分Pn/(R*Tn)大于用質(zhì)量計算的發(fā)熱量常數(shù)部分(AmsZa)/(AvnsMa),因此不難理解計算秒體積發(fā)熱量比計算秒質(zhì)量發(fā)熱量大的問題,這是由于浮點數(shù)保留進(jìn)位導(dǎo)致的,屬于正常現(xiàn)象。

    5 如何保證累積的準(zhǔn)確性

    天然氣在計量過程中準(zhǔn)確度非常重要,不僅瞬量計算要準(zhǔn)確,而且累計量也必須準(zhǔn)確。累計量計算準(zhǔn)確的前提是瞬量計算必須準(zhǔn)確,計量時鐘必須準(zhǔn)確,二者缺一不可。瞬量計算可以進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)的算法比對,來驗證準(zhǔn)確性,時鐘的準(zhǔn)確性必須通過長時間時鐘的累積,來驗證準(zhǔn)確性。我們天然氣流量計算機(jī)是采用系統(tǒng)的硬件時鐘中斷來獲得,不受系統(tǒng)運行負(fù)荷的影響,每到一秒,累積一次,每一秒都非常精準(zhǔn),因此能夠保證累積的準(zhǔn)確性。

    6 孔板清洗過程補(bǔ)償計算

    天然氣在生產(chǎn)過程中,由于礦場分離器的設(shè)備老化,管線的銹蝕,以及天然氣中的油水及砂粒粉塵,在孔板表面沉積了大量污物,使孔板計量嚴(yán)重偏低,這部分氣量損失是無法用公式補(bǔ)償?shù)模仨毻ㄟ^經(jīng)常性清洗孔板,來糾正偏差。在清洗孔板過程中,計算裝置無法獲得信號,計量將停止,累積也就終止,清洗孔板時,又不能停止供給天然氣,丟失的氣體該如何補(bǔ)償是一個棘手的問題,我們提出補(bǔ)償方式有三種,一是前補(bǔ)償,二是后補(bǔ)償,三是前后補(bǔ)償。

    前補(bǔ)償就是在計算天然氣的同時,記錄前n(n<=20)分鐘的每秒平均量,再記錄清洗過程中的時間,即累積秒數(shù),補(bǔ)償量就是他們的乘積。這種方式適應(yīng)供氣比較穩(wěn)的站,一般差壓波動不大。

    后補(bǔ)償就是在孔板清洗完,安裝好后,從計算開始采集n(n<=20)分鐘的每秒平均量,補(bǔ)償量就是每秒平均量與清洗孔板過程中累積時間秒數(shù)的乘積。這種方式也是適應(yīng)于供氣穩(wěn)定的站,一般差壓波動不大。

     前后補(bǔ)償就是在計算天然氣的同時,記錄前n(n<=20)分鐘的每秒平均量,孔板清洗結(jié)束,從開始計算起,再記錄n(n<=20)分鐘的每秒平均量,然后將兩個平均量再做平均,補(bǔ)償量就是最后的平均秒流量與清洗孔板過程的時間秒累積的乘積。這種方式適應(yīng)供氣不夠穩(wěn)定的站,一般差壓波動較大。

    總結(jié),在天然氣流量計算方面的國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)比較完善,但個別部分值得推敲研究,特別希望檢定機(jī)構(gòu)能夠提供公開的鑒定工具,以便于用戶校核數(shù)據(jù),提高國內(nèi)產(chǎn)品的研發(fā)效率。

        摘自《自動化博覽》2011年第六期

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