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常用天然气流量计的准确性影响因素分析

时间:2016-07-01来源: 作者: 点击: 1079次


摘要:随着天然气用气量剧增,准确的天然气流量计量变得尤为重要。针对当前天然气计量仪表的现状,深入分析了常用流量计的准确性影响因素,提出了改善天然气流量计准确测量的解决措施,为准确计量天然气提供指导。

关键词:天然气计量;流量计;准确性;影响因素;

引言

随着对天然气需求量的增多,对天然气流量计算的精确度提出了更高的要求。尤其是对于天然气的生产企业和输气公司来说,其流量的精确计量关系到企业、公司的本身利益以及整个社会和贸易往来等诸多方面,影响之巨大不容忽视。针对当前天然气计量仪表的技术需求,分析天然气流量计量的技术现状和计量精度的影响因素,提出高精度天然气计量解决方法,对天然气实现准确计量,实现天然气生产企业和输气公司的效益,保证城市和工业用气安全有着重要意义。

1. 常用天然气计量仪表类型及应用现状

根据不同的测量原理可将天然气流量计量技术分为5大类[1]-[2]:分别是容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等计量器,各种计量器计量原理和组成结构各不相同。针对不同的工作需求和测量介质,合理选取相应的天然气计量仪是当前天然气计量需要重视的问题。

目前天然气的生产环节中,较为常用的天然气计量仪表有四种:孔板流量计(差压式)、涡轮流量计(速度式)、超声波流量计(速度式)及腰轮流量计(容积式),另外还有用于一般居民用户的皮膜表。它们的特点及应用场合如表1所示。

                      1 天然气流量计的特点及应用场合

类型

技术原理

特点

应用场合

皮膜表

容积式

一种流量优化的、低压损的容积式计量仪表,具有品质高、结构紧凑、可靠性好、价格低。适合小流量计量

一般居民用户

腰轮流量计

容积式

对气体流态基本无要求,不需要直管段,始动流量小,量程比宽,适用于计量负荷变动大、间歇性用气的场合。缺点是:对气质要求高,体积大,重量重,适用于低压计量

宾馆、酒店、食堂、间歇性小用气量工业用

户等

孔板流量计

差压式

结构简单,技术成熟,性能可靠,安装方便,标准规程全面。缺点: 压损过大,测量范围窄,重复性不高

输气干线站场、门站、调压站。

涡轮流量计

速度式

体积小、重量轻、维护安装方便,适合大流量、稳定用户。缺点: 始动流量较大,对流态有要求,需装直管段。

稳定大用气量工业用户、门站、调压站。

超声流量计

速度式

体积小,重量轻,直接安装与管道外壁,不与流体接触,无压损,抗腐蚀性好,适合高压输气管道,不受温度、压力变化和流态的影响。缺点是对流体相有要求,

输气干线、用气量的工业用户、气站、调压站

 

2. 天然气流量计量精度的影响因素分析

下面将在分析各种天然气流量仪表原理的基础上,重点分析其计量准确性的影响因素,主要包括容积式、差压式、速度式的天然气流量计量仪表。

2.1 腰轮流量计及计量准确性的影响因素

典型的容积式流量计是腰轮流量计,流体推动计量室内部腰轮旋转,腰轮每旋转一次就有固定容积的流体排出,通过计算单位时间内腰轮的动作次数,即可求出通过流量计的体积流量。

影响容积式流量计准确性的一个很重要的因素就是流体的泄露量。泄露量是指从流量计入口流入后,从转动部件和外壳之间的间隙流出,没有被计量到的量。其泄露量与间隙的大小有着直接关系,当间隙过大时,流量计的误差稳定段就会缩小,误差增大,相反,流量计的误差稳定段会增长,误差减少。因此,该类型的流量计需要根据流体的清洁度和测量误差的要求,选择合适间隙的流量计。流量计测量的体积误差可依据式(4)确定。

                       

    可见,在应用容积式流量计时,特别注意测量范围的选取,因为在一定的测量范围内,其测量误差才能保持一定,当超出测量范围时,误差将急剧增加。

2.1 差压式流量计及计量准确性的影响因素

天然气工业中应用最多压差式流量计主要是标准孔板式流量计,经过多年的发展,技术趋于成熟,并且有国家标准和规程支撑。这种仪表是基于伯努利方程和流体连续性方程设计实现的差压式流量计,其基本原理是依据节流管件使流体流动过程中形成静压差,利用该静压差测算出天然气的流量。一般的,流量的平方与压差成正比关系,其具体的计算公式为:

                                            2

式中:为体积流量,m3/s为流出系数,无量纲;,其中为孔板内径,mm为上游管道内径,mm为可膨胀系数,无量纲;为孔板前后的差压值,Pa为流体的密度,kg/m3

为全面分析影响孔板流量计准确性的影响因素,现主要从天然气的流体特性、孔板流量计本身仪器性能、孔板流量计的安装以及使用环境等多个方面进行分析。

(1) 天然气本身流体特性影响计量的准确度主要表现在两个方面,一方面是天然气本身的压力和温度会随外界环境温度的变化而变化,从而导致过大的密度、压缩系数以及粘度特性的变化,影响计量准确性。

另一方面天然气含有杂质,杂质会腐蚀仪器的接触面,特别是对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲涮和腐蚀,更是严重影响孔板计量的准确性。

(2) 孔板流量计本身性能引起的误差主要有以下几个方面: 孔板入口直角锐利度; 孔板厚度误差; 节流件不同轴度; 取压孔加工不规范或堵塞; 孔板上游端面平度;取压位置; 引压管位置偏低造成积液或引压管过长等。

(3) 孔板流量计因安装不当引进的误差主要表现在: 管线布置偏离,直管段长度不符合 国家和仪表使用标准。

温度传感器测温元件插入位置不对,导致温度计量误差偏大。

(4) 使用环境的影响主要表现在环境温度和湿度的变化,以及电磁干扰对电子元器件的影响。

2.3 涡轮流量计及计量准确性的影响因素

常用的速度式流量计包括涡轮流量计、涡街流量计、旋进涡轮流量计、超声波流量计等。这类流量计主要是通过测量介质流动速度来计算流体的流量。这里我们重点关注涡轮流量计和超声波流量计。

涡轮流量计是以动量矩守恒原理为基础,流体作用在轴向安装的叶轮叶片上,使涡轮旋转,涡轮的旋转速度随流量的变化而变化,根据涡轮的转数即可求出流量值,最后通过电磁转换设备将涡轮的转数变化成电脉冲信号,经二次仪表进行计算和显示。其优点在于结构简单,测量范围较大,性能稳定,精度极高,适用于各种条件的环境,但是其在长期运行时无法保持一贯的高精度,需要及时进行标定,后期管理成本较高。

流体特性、表计安装工艺以及使用环境等都会对涡轮流量计的准确性造成影响。

( 1) 流体特性,特别是流体的密度、粘度对仪表特性有较大影响。另外,流体的流速分布和旋涡流是影响其精确计量的主要因素,为此在配管时要求在流量计上游有 15D 以上的直管段,下游部分配置 4D 以上的直管段,目前实际使用中涡轮流量计通常自带整流器,安装时直管段可适当缩短。

( 2) 涡轮流量计的机械阻力、部件尺寸等也会影响计量精度。由于被测流体不可避免的含有杂质,会使涡轮轴承磨损、叶轮腐蚀或者卡死,导致机械阻力增大,部件尺寸变化影响精度,所以在现场使用时,需要在前端安装过滤器。另外,涡轮流量计若长期超流量运行,会造成轴承过度磨损,使仪表系数改变,导致计量不准。

2.4 超声波流量计及计量准确性影响因素分析

超声波流量计常用实现技术有时差法和多普勒法两种,前者是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速,进求得流量;后者是通过两个超声波测量到信号频率差计算流速,进而求得流体流量。超声波流量计为非接触式测量方式,不与天然气直接接触,避免了天然气的腐蚀作业,故抗腐蚀的性能更好。两种方法对测量介质有所不同,时差法适合单相流体的测量,而多普勒法适合两相流体,即气液或气固的流体的测量。时差法精度较高,在高压、大流量的天然气计量中应用,故将分析超声波时差法流量计准确性影响因素。

影响时差法超声波流量计精度主要因素包括:

1)管道结构与参数设置对测量准确性的影响

 时差法超声波流量计的测量换能器的安装位置必须保证上游直管段10D,下游直管段5D的位置;如果换能器安装位置的上游有泵、阀等设备,要求直管段为30D以上,这样做就是尽可能的保证流体处于稳定流态,流速分布均匀,故换能器安装要求距离紊流、震动、热源、噪音源和射线源越远越好。总之,直管段长度是保证测量准确度的主要因素。

    管道参数设置准确与否也影响着测量准确度。管道材质及尺寸的设置与实际管道尺寸

不相符,二者的误差将导致结果的不准确;另外,换能器之间的发射间距是根据流体(声速、

动力粘度)、管道(材质和尺寸)、换能器的安装方式(V法或Z)等各种参数综合运算的结果,

换能器的安装距离产生偏差,也会引起很大的测量误差。其中管道内径的设置和安装距离

对测量准确度影响比较突出,据有关资料介绍,若管道内径误差±1%,则引起约±3%的流

量误差;若安装距离误差±1mm将产生±1%以内的流量误差。

    2)超声波换能器安装位置与安装方式的对测量准确性的影响

    时差法超声波流量计换能器的安装有反射式(V)和直射式(Z)两种方式,利用Z法安

装声束行程短,可以增强信号强度。另外,换能器必须安装在与管线正切的方向,否则会

影响声波的发射和接收,进而影响测量准确度。

  为了保证换能器和管道充分接触,安装换能器时需要往管道表面均匀地涂一层耦合剂,

一般厚度为(23)mm。应将耦合剂内的气泡和颗粒挤出去,换能器的发射面应紧密的贴在

管壁上。如果耦合剂失效,将影响超声波流量计测量准确度。

 3)现场工作环境噪声和脏污对测量准确性的影响

管路系统中由于阀门、整流器以及各类阻流管件等的存在总会产牛一定的噪声。但是现场不断变 化的工况条件(如流量、压力和温度)以及各种类型的"噪声发生器"(流动调整器、压力调节阀等) 都使得确定噪声大小带来难度。如果噪声的频率与超声波流量计的工作频率范围一致就会干扰到超声波脉冲的探测、影响到对传输时间的准确测量最终导致体积流量的测量不准。

含水、硫化铁粉末或其他脏污的天然气流过超声波流量计时脏污逐渐堆积在流量计表体管道内以 及超声波探头上可能会影响超声波流量计的准确度。

4)电路性能对流量测试准确性的影响

由于时差法超声波流量计要求时间差的准确测量,鉴于现有电子电路的漂移及时间记录的误差,也会影响到测量的准确性。

3. 提高天然气流量计量精度的措施

了解到常用天然气流量计量准确性的影响因素,针对这些因素,采取合理措施尽可能避免或消除不利因素,以提高天然气流量计量的精度。采取的措施主要从以下几个方面考虑。

1)深入分析各种流量计计量原理及准确性的影响因素,提高研究水平,优化设计结构,从技术层面上尽可能的提高流量计的计量精度。

2)根据环境条件、管路工况及用户需求等因素进行综合考虑,正确的选择流量计的类型,保证测试流量处于流量计测量范围内,避免“大马拉小车或小马拉大车”的现象。

3)把握正确的安装关。不同的流量计安装要求不同,安装前认真阅读使用说明书,保证最优化安装结构。如若有直管段的要求,必须保证直管段的要求。

4)尽可能减少现场噪声、辐射对计量仪表的干扰,保证流量计的正常工作。

5)安装远程监控系统,实时监视现场流量计的工作状态和准确性,做好现场仪器的接地保护。

6)加强流量计的日常维护,如对涡轮和腰轮流量计定期加油润滑,对流量进行监控,防止长期超流量运行,从而减缓轴承磨损; 对流量计进行定期巡检,对比管道中压力表和流量计压力显示是否有偏差; 对比实际用气情况和流量计计量数据是否一致; 对流量计进行周期检定等。

4. 结论

随着天然气工业的不断地发展,工业领域和城市居民用气的剧增,更主要的是国家对节能减排和能源计量的重视,天然气的准确计量将会变得越来越重要。根据各种不同类型流量计的准确性影响因素分析,在对流量计技术革新、实际选型、安装、使用和维护等环节尽量减少不利因素的影响,从而提高最终计量的准确性。

参考文献

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