摘　要：差壓(yā)式孔闆流量(liàng)計 目前仍是(shi)我國進行天(tiān)然氣流量計(jì)量的主導流(liú)量計,截至2025年(nián)12月氣田應用(yong)該型流量計(jì)總量近300套。SY/T6143-1996“天(tian)然氣流量的(de)标準🌂孔闆㊙️計(ji)量方法”标準(zhun)中認爲,天然(ran)氣流量測量(liàng)不确定度主(zhu)要由3個方面(miàn)引🔞起:流量計(jì)算方程描述(shu)流動狀态真(zhēn)實性的🈲不确(que)定因素;被測(cè)介質實際物(wù)理🏃🏻‍♂️性質的不(bú)确定度因素(su);測量中重要(yao)設備的不确(què)定㊙️度因素。爲(wèi)此,從以上3個(ge)方面對差壓(yā)式孔闆流量(liang)😍計進行了不(bú)确定度研究(jiu)和實驗,包括(kuo)流出系數、孔(kong)闆技術指标(biāo)的變化對天(tian)然🤟氣流量的(de)影響,可膨脹(zhang)系數、二次儀(yí)表的不确定(ding)度、天然氣組(zǔ)分變化、天然(ran)氣含水對天(tiān)然氣流量的(de)影響,并就這(zhe)些誤差因素(su)分别從節流(liu)裝置的選擇(zé)、脈動流的改(gǎi)善⭐、規範各項(xiang)規章制度、建(jiàn)立✏️量值溯😄源(yuan)體系等方面(mian)提出了建議(yi)💜。
　　我國 天然氣(qi)流量計 量目(mu)前仍以差壓(ya)式孔闆流量(liang)計爲主,僅氣(qì)田目前就♈有(yǒu)近300套。由💛于孔(kong)闆流量計的(de)誤差影響因(yīn)素較多,往往(wǎng)造成計量不(bú)确定度增大(da)。通過在氣田(tian)近幾年的使(shǐ)用與研究,在(zai)孔闆流量計(ji)的誤差研究(jiu)方面積累了(le)一些使用經(jing)驗,提出了相(xiang)應的對策予(yu)以改善💞或消(xiao)除,以期對同(tong)行有所♈裨益(yì)。
一、誤差來源(yuan)分析
　　天然氣(qì)流量測量中(zhong)的不确定度(du)主要來源于(yú)以下3個方🌈面(mian):①流量計算方(fāng)程中描述流(liu)體流動狀态(tài)的真實性不(bu)确定度💯因素(sù);②被測介質實(shi)際物理性質(zhì)(物性因素)的(de)🌈不确定度因(yīn)素;③測量中重(zhong)要設備的不(bu)确定度因素(sù)。
針對以上3方(fang)面因素做具(ju)體分析如下(xià)。
1.流量計算方(fāng)程中描述流(liú)體流動狀态(tài)的真實性
的(de)不确定度因(yin)素
(1)流出系數(shù)C
計算公式爲(wei):

(1)流出系數C是(shi)在上遊直管(guǎn)段充分長的(de)實驗條件下(xia),并且💜孔闆節(jiē)流裝置在滿(man)足規定的技(jì)術指标下進(jìn)💋行校準标定(ding)的,才具♊有計(jì)🌈量特性。
當氣(qì)流流束在孔(kǒng)闆前1D處完全(quán)充滿管道,且(qie)爲紊流狀态(tài)時,流出系數(shu)C的百分誤差(chà)爲:

設有一套(tao)法蘭取壓的(de)孔闆測量裝(zhuang)置,D=50mm,設計β=0.5刻度(du)流量時👨‍❤️‍👨的ReD0=1×106,設(shè)ReD1=2×104、ReD2=5×104、ReD3=1×105、ReD4=1×107、ReD5=1×108、ReD6=1×108,經⭐過查表或(huo)計算得出C0=0.6034;C1～C6見(jian)表1,δ=(Ci-C0)/C0。

(2)由上例可(kě)以看出:當速(su)度剖面較充(chōng)分發展的速(su)度剖面💰尖時(shi)(雷⛹🏻‍♀️諾數小),流(liu)出系數會變(biàn)大,當速度剖(pou)面📱較充分發(fā)展的速度✍️剖(pou)面平時(雷諾(nuo)數大),流出系(xì)數會變小。流(liú)出系數C随着(zhe)🥰流量的增大(da)而減小,實際(ji)流量越小于(yú)刻度流量💋,則(ze)流出系數C引(yin)起的流量誤(wu)差🏒會越大。
(3)孔(kong)闆流量計的(de)流出系數C不(bú)是一個固定(ding)值,它随雷諾(nuo)數的變化而(ér)變化,但是當(dang)雷諾數增大(dà)到某一數值(zhi)時,變化量減(jian)小。對于法蘭(lán)取壓,雷諾數(shu)應該在106以上(shang),對于角接取(qu)壓,雷諾數應(yīng)在2×105以上。
流量(liang)測量不确定(dìng)度中和流出(chu)系數有關的(de)相關項爲孔(kǒng)闆開孔☔直徑(jìng),大小爲δd/d=±0.07%,測量(liàng)管直徑,大小(xiǎo)爲δD/D=±0.4%,β值允許0.75≥β≥0.2。據(jù)公式✔️計算出(chu)C的變化範圍(wéi)爲:±0.0197%～±0.1791%。
2.孔闆粗糙(cāo)度、銳利度、平(ping)整度的影響(xiǎng)
　　SY/T6143-1996對孔闆的直(zhi)角入口做了(le)嚴格的規定(ding),即:無卷口、無(wu)毛邊🔆、無目👣測(ce)可見的異常(cháng)現象,并且是(shì)尖銳的直角(jiao),若邊💚緣形成(chéng)圓弧,其圓弧(hú)半徑rk≤0.0004d,孔闆開(kai)孔内圓柱面(miàn)🏒與孔闆上遊(you)端🌈面垂直,誤(wu)差小☂️于±1°,粗糙(cāo)度高度參數(shu)Ra≤0.0004d,且不影響尖(jiān)銳度測🌈試。
　　對(dui)于孔闆性能(néng)對流量的影(ying)響,做過相應(yīng)的對比試驗(yan):分别取DN100mm的👅标(biāo)準孔闆,編号(hao)爲GKF75761,經檢測其(qi)rk爲0.05mm(允許值🌈小(xiǎo)于等于0.04mm),GKF78790其粗(cū)糙度高度參(cān)數爲Ra爲45μm(允許(xǔ)值小于等于(yu)40μm)。編号爲GKF75007的各(ge)項指标均符(fu)合要求的孔(kǒng)闆進行一🚩相(xiang)對穩定的氣(qì)流測量,測試(shi)中将不符合(hé)規格孔闆放(fang)在氣井單量(liang)裝置,标準孔(kong)闆放入氣井(jing)外輸裝置,忽(hu)略裝置之間(jian)的差異,某單(dān)井一天天然(ran)氣流量測試(shì)結果見表2。實(shi)驗表明,忽略(lue)氣流的微小(xiao)波動,對于rk超(chāo)🥵差的不合格(ge)孔闆其計量(liang)誤差範圍爲(wèi)📱-2.81%～3.14%,Ra超差的不合(hé)格孔闆😘計量(liàng)誤差爲-2.58%～2.72%,若rk、Ra超(chāo)差嚴重則氣(qi)量偏🌈差更❓大(dà),甚至可達到(dao)10%。

3.被測介質實(shí)際物理性質(zhi)的不确定度(dù)因素
(1)标準中(zhōng)要求流經天(tiān)然氣的流體(ti)爲氣流必須(xu)是單⭐相的牛(niu)頓✉️流體。若氣(qì)體含有質量(liàng)分數不超過(guò)2%的固體或液(ye)體🔞微粒,且呈(chéng)✔️均勻㊙️分散狀(zhuang)态,也可被認(ren)爲是單相的(de)牛頓流🙇🏻體。
　　在(zài)實際使用中(zhōng),從井口到計(ji)量管線的過(guo)程中,天然氣(qì)通🙇🏻常攜帶一(yi)定量的水、脫(tuō)水劑和凝結(jie)液。這些液體(ti)來自分㊙️離效(xiao)果差的分💰離(lí)器和負荷大(da)的脫水單元(yuan),當流動溫度(du)和壓力變化(hua)時,氣體中的(de)重烴組分也(ye)會凝析出來(lái)。
　　實驗爲将經(jīng)過标準 渦輪(lun)流量計 計量(liang)的天然氣在(zai)通過注水管(guǎn)注水後用 孔(kong)闆流量計 進(jin)行計量。其結(jié)論爲:①用孔闆(pan)流量計測量(liàng)氣體流量,當(dang)氣體中夾帶(dài)少量液體時(shí),流量測量不(bu)确定度偏高(gao),測量的濕氣(qi)流量🏒随β的增(zeng)加而減少,在(zai)β比爲0.7時,測得(dé)的流量偏差(cha)爲-1.7%;②當夾帶少(shǎo)量液體時,在(zài)β比爲0.5時表明(ming)孔闆性能較(jiào)好,但♋是應将(jiang)夾帶液體在(zài)🐕孔闆上遊脫(tuo)出,以獲得最(zuì)佳的計量🌈性(xìng)能;③用舊的孔(kong)闆流量計測(ce)量濕氣,流量(liang)計量值将降(jiang)低3%。
　　這項研究(jiū)結果說明,天(tian)然氣在進入(ru)計量裝置以(yi)前,如果要獲(huò)得非常好的(de)計量性能,應(ying)完全脫除天(tiān)然氣中👌所含(hán)的水分,對于(yú)日處理氣量(liang)近百萬立方(fāng)米的集氣站(zhàn),這一🐕點非常(chang)☁️重要。
2)可膨脹(zhàng)系數(ε)

式中:κ表(biǎo)示等熵指數(shù)。
　　可膨脹系數(shu)的百分誤差(chà)爲:(±4Δp/p1)%。由于誤差(chà)系數的影響(xiang),如被🎯測🌈系⁉️統(tong)壓力低到4Δp/p1可(kě)以和β比較,被(bèi)測系統壓力(lì)将直接影響(xiǎng)到測試正确(que)率。當被測系(xì)統壓力爲高(gāo)壓系統時,可(ke)以忽略該🌈項(xiang)誤差。目前在(zài)天然氣計量(liang)中差壓一🤩般(ban)在500～50000Pa範圍内,靜(jìng)壓在🌈1～10MPa範圍内(nèi)。因🙇🏻此ε的誤差(chà)最小爲±0.0002%,最大(dà)爲±0.2%(甚至會更(geng)大)。
(3)天然氣相(xiàng)對密度的影(ying)響
　　密度參數(shù)是天然氣測(cè)量中極爲重(zhòng)要的物性參(can)數,密度測👅量(liang)的🛀🏻不确定度(du)對整個測量(liàng)系統的不确(que)定度有着很(hen)大影響,目前(qian)國⁉️内普遍采(cai)用測量氣流(liu)壓力、氣流🚶‍♀️溫(wēn)度和定時取(qǔ)樣得到氣流(liú)全組分,由于(yú)壓力溫度的(de)波動,天然氣(qì)的相對密度(du)并不是一個(gè)固👄定值。密度(dù)不确定度估(gu)算🐉公式爲:

　　根(gēn)據計量條件(jiàn)估算密度帶(dai)來的不确定(ding)度:當儀表㊙️精(jing)度較低且運(yùn)行在下限時(shí),不确定度爲(wei)±1.818%;反之不确🏃🏻‍♂️定(ding)度則在±0.793%,由此(cǐ)可見密度在(zai)流量測量中(zhong)至關重要。所(suǒ)以爲了準确(què)進行天🏃然氣(qì)計量,選用在(zài)線氣相色🥰譜(pu)儀進行🐉組分(fèn)在線分析是(shi)十分必要的(de)🈚。氣田在向北(běi)京、陝西、甯夏(xia)以及西氣東(dong)輸供氣的外(wai)貿計量裝㊙️置(zhi)上均采用了(le)在線色譜,平(píng)均5min采樣分析(xī)一次,能夠及(ji)時檢測到組(zǔ)分的變化情(qing)況,提高了計(ji)量精度。
4.測量(liàng)中重要設備(bei)的不确定度(du)因素
　　該項不(bu)确定度因素(su)主要體現在(zài)孔闆β比選擇(zé)方面、還包括(kuò)二次儀表的(de)不确定度:
(1)β比(bi)選擇
　　根據SY/T6143-1996中(zhōng)的體積流量(liang)不确定度公(gōng)式爲：

據式(4)可(ke)以計算出直(zhí)徑比β與流量(liàng)不确定度δQn/Qn的(de)關系如表3所(suo)示。

　　由表3可以(yǐ)看出,當其他(tā)參數不變的(de)情況下,直徑(jing)比🍉β的變化對(dui)測量不确定(dìng)度的影響是(shì)很大的,現場(chang)應用中,操作(zuò)人員常根據(ju)氣量的變化(huà)來更換不同(tong)内徑的孔闆(pǎn)來滿足使用(yong)要求,此🔴時,直(zhí)徑🐪比成了影(yǐng)響正确率的(de)主要可變因(yīn)素。β與流量測(cè)量綜合不确(que)定❓度的關系(xì)如圖1所示。結(jie)論爲:不确定(dìng)度基本随着(zhe)β增減而增減(jian),當β小于0.6時,不(bú)确定度的變(biàn)化很小,基本(ben)爲一條直線(xian);随着β的增大(dà),不确定度迅(xun)速增大,當β=0.75時(shí),不👉确定度達(da)到最大。
(2)二次(cì)儀表的不确(què)定度
　　由于目(mù)前天然氣計(ji)量大多采用(yòng)計算機智能(néng)化數🥰據采♈集(ji)、數🏃‍♀️據處理A/D轉(zhuan)換精度高,量(liang)化誤差的影(ying)響可以忽略(lue),差♉壓、壓力、溫(wen)度的測量由(yóu)于大量精度(dù)智能化變送(song)✉️器的應用使(shǐ)二次儀表對(duì)整個📧流量系(xì)統的誤差成(chéng)爲了非主要(yào)影響因素。

1)壓力儀表(biǎo)測量誤差:主(zhǔ)要由壓力測(cè)量儀表的精(jing)度引起♌(儀📞表(biao)正确率受溫(wen)度變化影響(xiǎng))。采用3051T型變送(sòng)器🌈在5.0MPa工作,溫(wēn)度變化在30℃左(zuo)右。
溫度影響(xiang):±0.15%;
　　最終精度爲(wèi):ζ=±0.225%(儀表校驗誤(wu)差爲±0.075%)。
2)差壓儀(yi)表測量誤差(cha):主要由儀表(biǎo)精度、儀表安(an)裝位置、導壓(yā)管📱引起。采用(yong)3051CD型變送器在(zài)5.0MPa工作,溫度變(biàn)化在30℃左右。
溫(wen)度影響:±0.075%;
　　靜壓(yā)力影響:±0.15%;
　　安裝(zhuang)位置可通過(guò)零點調整予(yu)以消除。
　　其最(zui)終精度爲:ζ=±0.30%(儀(yí)表校驗誤差(chà)爲±0.075%);
　　導壓管引(yǐn)起誤差爲:±0.2%;
　　總(zong)體差壓誤差(cha)爲:±0.36%。
3)溫度儀表(biǎo)測量誤差:主(zhu)要由儀表精(jīng)度和安裝位(wèi)置正确性㊙️影(ying)🏒響。
溫度儀表(biao)精度爲:ζ=±0.5%。
　　安裝(zhuāng)位置的影響(xiang)在标準規定(ding)範圍内忽略(lue)不計。
(3)計量條(tiao)件下天然氣(qì)流量測量的(de)不确定度假(jia)定流量測⛹🏻‍♀️量(liàng)裝置爲理想(xiǎng)狀态,已知條(tiáo)件:天然氣外(wai)輸測量管D20=205mm;d20=103.76mm;p=4.50MPa;Δpmax=54kPa;溫(wēn)度計上限爲(wei)50℃,正确🐇率爲0.2級(ji),壓力、 差壓變(bian)送器 正确率(lǜ)爲0.1級。據式(4)則(zé)有不确定度(du)爲:

二、控制誤(wu)差提高計量(liang)正确率的方(fāng)法
　　因爲天然(rán)氣流量測量(liàng)計算的不确(què)定度是在其(qí)他影🌈響因素(su)都不存在附(fù)加誤差的情(qíng)況下計算得(dé)到的,但是使(shǐ)用中由于各(gè)種原因會帶(dai)來一定的附(fù)加💃🏻誤差,這是(shì)需要消除的(de)。根據實🔞際應(yīng)用情況,提出(chū)以下控制方(fāng)法及建議。
1.孔(kǒng)闆節流裝置(zhi)必須符合标(biao)準
　　孔闆節流(liú)裝置在使用(yong)前的安裝中(zhong)應按照标準(zhǔn)安裝㊙️設🤞計‼️,根(gen)據孔闆前阻(zu)力件形式配(pèi)接足夠長度(du)的直管㊙️段,一(yī)🔱般應🏃🏻至少前(qian)30D,氣田在開發(fā)初期部分集(ji)氣站因爲設(shè)計原因流量(liàng)計直管段長(zhǎng)度爲前10D後5D,造(zao)成天然氣計(jì)量輸差達到(dao)±5%～±8%,分析原因後(hou)經過技術改(gai)造,計量管段(duàn)改爲前30D後10D,使(shǐ)計🔞量輸差降(jiang)低到±1.5%。
2.氣流中(zhong)存在脈動流(liu)的改善措施(shī)
　　天然氣從地(di)層中采集後(hou)經節流、分離(lí)、淨化後一般(bān)能達到👌均勻(yun)單相的牛頓(dùn)流體,在天然(rán)氣計量中由(yóu)于各種原因(yin)使天然氣脈(mò)動,可以采取(qu)以下措施減(jian)小脈動流的(de)影響。
(1)在滿足(zu)計量能力的(de)條件下,應選(xuǎn)擇内徑較小(xiao)的測量管✂️,使(shi)♋Δp、β在♋比較高的(de)雷諾數下運(yùn)行。
(2)采用短引(yǐn)壓管線,盡量(liang)減少引壓管(guǎn)線系統中的(de)阻力件❌,并使(shǐ)上下遊管線(xian)長度相等,以(yi)減少系統中(zhong)産🈲生諧振和(he)壓力脈動⭕振(zhen)幅💛的增加。
(3)從(cong)管線中除去(qù)遊離液體,管(guan)線中的積液(ye)引起的脈💁動(dòng)可以采用自(zì)動清管系統(tong)或低處安裝(zhuang)分液器來處(chù)理。
爲使天然(rán)氣具有最佳(jiā)的計量性能(neng),應将天然氣(qì)中的水分🈲徹(chè)底脫出。
3.加強(qiang)計量管理、建(jiàn)立健全各項(xiàng)規章制度
　　嚴(yan)格貫徹執行(háng)SY/T6143-1996标準,确保裝(zhuāng)置完全符合(he)标準的技術(shù)要💔求。建立健(jian)全各項規章(zhāng)制度,如定期(qi)維護制度、周(zhōu)期🏒送檢制度(dù),加強❤️對天然(ran)氣生産情況(kuang)的監測,及時(shí)消除誤差。
　　在(zài)差壓式孔闆(pǎn)流量計日常(cháng)使用過程中(zhong),要确保準确(que)的計⭐量,還應(ying)至少每月一(yi)次清洗檢測(cè)孔闆、檢查儀(yi)表🛀零點🚩、儀表(biǎo)D/A轉換通道‼️、核(hé)對流量計算(suan)程序,對有坑(keng)蝕及劃痕的(de)孔闆應及時(shí)更換。氣田根(gen)據氣質的淨(jìng)化程度,規定(ding)集氣站每月(yuè)清洗檢查一(yi)次孔闆,貿易(yì)交接計量孔(kong)闆每半月☁️和(hé)用戶一起檢(jian)查清洗一💜次(cì),同時還配備(bei)孔闆綜合測(cè)試🧑🏾‍🤝‍🧑🏼儀定期對(duì)孔闆進行幾(ji)何尺寸檢定(dìng),使集氣站單(dan)井計量輸差(cha)能有效控制(zhi)在±1.5%以内,貿易(yi)計量輸差在(zài)±1.0%以内。
4.量值溯(sù)源是确保天(tiān)然氣計量正(zheng)确率的有效(xiao)措施
(1)當孔闆(pan)節流裝置的(de)一次裝置設(shè)計、制造、安裝(zhuāng)、檢驗和使用(yong)完☁️全🚩符合SY/T6143-1996标(biāo)準中1～7章的全(quan)部技術要求(qiú)時,即可達㊙️到(dao)幾何和流體(ti)力學相似,在(zai)此基礎上可(ke)以執💔行單參(can)數溯源,節流(liu)裝置部分用(yòng)長度标準進(jìn)行幾😄何尺寸(cun)幹檢,壓力、溫(wēn)度、時間或氣(qì)樣分析用各(gè)自的标準器(qi)具或☂️标準樣(yàng)氣進行檢驗(yan),并将标準器(qì)與國家基準(zhǔn)建立溯🛀🏻源鏈(lian)。
(2)對用于貿易(yì)計量的孔闆(pan)流量計量裝(zhuāng)置,建議流量(liang)計⛱️投入使用(yong)前或使用一(yī)段時間後,進(jin)行實流檢定(dìng)♍或校準,以保(bao)證一次儀表(biǎo)的正确率。
(3)天(tiān)然氣組成分(fèn)析應采用GB/T13610規(gui)定的方法進(jìn)行,标準氣體(ti)應選🌏擇經國(guo)家質量技術(shù)監督局考核(hé)合格的、有合(he)格證并标有(yǒu)不确定度的(de)标準氣體,标(biāo)氣正确率應(ying)不低于二級(jí)标準氣體(2.0%)。在(zai)條件許可👌的(de)條件下,應開(kai)展天然🌏氣在(zài)線組成分析(xī)和物性參數(shù)的在線測定(ding)。
三、結束語
　　客(ke)觀地講,在采(cǎi)用孔闆流量(liàng)計測量天然(ran)氣流量時,如(rú)果對差壓式(shì)孔闆流量計(ji)的一次裝置(zhì)(孔闆節流裝(zhuāng)置)和二次儀(yí)表(差壓、靜🆚壓(yā)、溫度、天然氣(qi)物性參數計(jì)量器具等)配(pèi)套儀表的選(xuan)擇、設計、安裝(zhuang)、使用都嚴格(ge)按照有關标(biao)準進行,并在(zai)受控狀态下(xià)使用時,其流(liu)量測量正⭕确(que)率是可以控(kong)制在±1%～±1.5%範圍内(nèi)的。

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