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流体组分和脉动流对涡轮流量计精度度影响
发布时间:2021-3-22 08:26:45

　　随着国内天然气市场需求不断增加，天然气对外依存度持续走高，对国内天然气的自采量增幅提出了更高的要求。山西的非常规天然气资源总量约占全 国的1/3，煤层气资源丰富，2020年全省煤层气开采量达到1×1010m3/a，在2025年将达到2×1010m3/a。涡轮流量计由流体推动叶轮 旋转，从而产生与流量成正比的电脉冲信号，具有精度高、重复性好、测量范围广等诸多优点。在天然气计量的应用中，被测介质的黏度、密度、脏污程度、管道安 装结构、脉动流和组分等在不同的场所各不相同，综合各种影响因素后对涡轮流量计的计量准确度造成较大影响。为此，有必要结合实地情况采取必要的计量修正措 施，确保涡轮流量计计量精度，为公平交易奠定坚实的基础。
　　山西省A分输站（上游供气公司）自2011年开始向B分输站（下游用气公司）供气以来，供气长期受正供销差困扰，始终未得以彻底解决（A分输 站至B分输站长输管线长度约为2km）。为此，以A分输站长期贸易计量交接的涡轮流量计为对象进行研究。该涡轮流量计距离上游非常近压缩站仅7km，且地 形地势特征高差较大，在全省非常规天然气上下游计量交接中具有代表性。综合各种影响因素的分析可知，气体组分和脉动流对计量的精度有较大影响。本文通过实 际数据对比、AGA8-92DC方法和脉动流定性影响分析对计量偏差进行研究，是山西省非常规天然气公平贸易的一项非常有意义的课题。
1涡轮流量计计量和换算原理
1.1计量原理
　　流体通过涡轮流量计时，流速被转换为涡轮的转速，转速再被转换成与流量成正比的电信号，非常后在计数器上进行显示和累计。目前，绝大多数涡轮 流量计都为一体化智能流量计，除上述机械计量部分外，还包括1台体积计算仪，依据实测工况流量、取压口实测压力、测温口实测温度及内部设定的一些固定参数 进行计算，将工况体积转换为可贸易交接的天然气体积，其原理如图1所示。
涡轮流量计计量原理图示
1.2换算原理
1.2.1工作条件下的体积流量计算实用公式
　　工作条件下的体积流量计算实用公式如式(1)所示：

　　式(1)中，qf为工作条件下的体积流量，m3/s；f为输出工作频率，Hz，由频率计采集；k为系数，m-3，可按流量计铭牌给定值。

1.2.2标准参比条件下的体积流量换算实用公式
　　标准参比条件下的体积流量换算实用公式如式(2)所示：

　　式(2)中，qn为标准参比条件下的体积流量，m3/s；pf为工作条件下的绝对静压力，MPa；pn为标准参比条件下的绝对静压力， MPa；Tn为标准参比条件下的热力学温度，K；Tf为工作条件下的气体绝对温度，K；Zn为标准参比条件下的气体压缩因子；Zf为工作条件下的气体压缩 因子。
　　工作条件下的压力和温度的准确度取决于测量仪表。标准参比条件下的绝对静压力为101.325kPa，热力学温度为293.15K。输出工作 频率由频率计采集得到。在不考虑测量仪表测量误差的基础上，研究范围可进一步缩小，可主要从天然气组分对计量的影响和脉动流对计量的影响两方面进行研究 [1]。
2天然气组分对计量的影响
2.1条件设定
　　非常规天然气与天然气相同，也是一种混合物，主要成分是烷烃，绝大多数是CH4，也含有少量非烃类气体，其组分在各采气区各不相同，但作为影 响气体压缩因子的因素之一，目前在山西省的计量交接点处很少进行在线分析，一般是在体积计算仪中输入默认组分比例作为换算的依据（设计组分）。
　　气体压缩因子Zn在标准参比条件下受介质组分变化影响极�。ń朴�1），但在高压输气条件下，工作条件下的气体压缩因子Zf受组分影响会发生 较大变化。山西省非常规天然气的组分与典型的天然气组分（设计组分）相比有较大变化，在高压输送计量中，气体压缩因子的变化对计量准确度的影响已超出了其 本身的计量精度，其影响不可忽略。A分输站2020年9月24日11:06的运行参数如表1所示。

2.2组分数据
　　设计组分选取典型天然气组分，如表2所示。非常规天然气实际组分以A分输站历年实际气质检测报告结果为依据，如表3所示。
2.3理论分析组分对气体压缩因子的影响
　　压缩因子的求得方式有很多种，包括仪器、理论计算方程、凭借经验公式估算、Standing-Katz确定等[2]。GB/T17747.1 —2011《天然气压缩因子的计算第1部分：导论和指南》推荐用AGA8-92DC和SGERG-88法。所研究分析的介质已有历年详细的气质组分，同时 考虑AGA8-92DC法精度高，因此选用AGA8-92DC法并通过VisualBasic编写程序进行计算。


　　依据表2典型天然气组分和实际运行参数计算Zn/Zf，计算结果为1.0864，输入及输出结果如图2所示。

　　依据表3非常规天然气实际组分和实际运行参数计算Zn/Zf，计算结果如表4所示。

　　通过对比分析，采用设计组分计算时气体压缩因子比值为1.0864，而采用实际组分计算时为1.0613，偏差为2.365%。由此可知，不调整设计组分会导致正2.365%的供销差。
2.4实际供销差数据
2011—2019年实际供销差如表5所示。

2.5天然气组分对计量结果的影响
　　将理论计算与实际供销差数据进行对比，结果相近，由此可知在假设条件和不考虑其他影响因素时，受非常规天然气组分的影响，计量值偏大，正偏差 值约为2.28%，对下游接气单位不利，给下游单位的供销差管理造成不利后果。
3脉动流对计量的影响
　　脉动流的成因有很多，如在紧邻增压机出口处、控制阀频繁操作时、管线振荡时和管线中有漩涡等，有时压力和温度探测器产生的涡街也会形成脉动流。其特性是介质流动不稳定，但周期性变化，流体在加速或减速过程中会影响叶轮旋转速，但叶轮旋转相对滞后，通俗可理解为“惯性”，由此对流量计的准确计量造成一定的影响。
3.1流量测量
　　现阶段，脉动流的直接测量还存在很大困难，但可通过误差方程分析、实验室试验和专业的脉动流量误差检测设备检测分析某一特定脉动流的测量误 差。前两种方法基于脉动流的振幅和频率的可测量性，振幅和频率的测量可通过激光多普勒技术、热线风速仪法等。专业的脉动流量误差检测设备已有设备制造厂家 在生产。
3.1.1误差方程分析
　　通过对机翼理论的研究，可列出涉及惯量、夹角、叶轮半径、角速度等参数的误差运动方程，通过编程可求得针对某一特定涡轮流量计的不同振幅和频 率脉动流的测量误差[3]。依据动量守恒定律，可列出包含流速、切线速度等参数的非线性微分方程，通过计算和分析可理论推导测量误差[4]。
3.1.2实验室试验
　　现场实测脉动流的特性，采用已知标准体积压缩空气，在实验室模拟脉动流，将测量值与标准体积进行对比，分析测量误差。
3.1.3误差检测设备检测
　　一种燃气脉动流误差检测设备，可较正确地测得脉动误差值，但暂未在山西省广泛应用。在绝大多数燃气公司的实 际运行管理过程中，脉动流的特性参数无法在日常运行监测数据中获取，因此，主要定性地说明脉动流对涡轮流量计计量偏差的影响。
3.2测量误差
  已有很多学者针对脉动流对计量的影响进行了研究。分析结果可知，由于叶轮受流体加速影响小，受流体减速影响大，计量始终存在正供销差。此外， 正供销差取决于脉动流的振幅和频率，整体来说，如果脉动流频率大于叶轮角频率时正供销差值较大，脉动振幅增大时正供销差值也随之增大。
3.3脉动流对计量结果影响
A分输站涡轮流量计距离上游非常近的压缩站（往复式压缩机增压）不到7km，且该分输站工艺布置紧凑。据实地测量，流量计上游直管段长度约为 6Dn（Dn为涡轮流量计口径，mm），下游直管段长度约为4Dn。此外，7km管道沿线地势高低不平，加之煤层气气质水含量较大，导致在低洼处极易形成 积液，积液也会造成脉动流。2014年8—10月期间，下游公司发现正供销差持续增大时，对A分输站和B分输站的涡轮流量计进行了标定，但标定结果均为合 格。随后下游公司在2014年11月5—7日对A至B分输站段管线进行了清管作业，共清出污水杂质约23t，清管完成后正供销差明显减小。清管前后实际供 销差数据如表6所示。

　　除此之外，通过日常运行监测，供气瞬时流量每次显示数据都在变化，且在一定时间内在1个值上下频繁波动（波动幅度约为±20%）。综合上述情 况，该输气管道存在脉动流的可能性很大。脉动流会造成正供销差影响，对下游接气单位不利，因此有必要对脉动流的影响进行修正。
4结语
　　目前，山西省绝大多数分输站未安装在线色谱仪，且直接测量脉动流流量的计量表还未被广泛应用于实际生产中。探究表明，山西省非常规天然气的组 分和脉动流输气均会使涡轮流量计产生无法通过定期检定来消除的正向系统误差。因此，为确保作为上下游贸易交接依据的计量表测量的精度，保证公平交易，可通 过误差分析修正、组分修正、优化工艺等方式对现涡轮流量直接测量结果进行修正。
a)天然气组分影响的修正建议。结合实际工况条件，合理调整涡轮流量计的压缩因子和天然气组分；当精度要求较高时，采取安装在线分析仪的方式实时更新流量计参数。
b)脉动流影响的修正建议。通过工艺优化、改造，使流体通过流量计时基本稳定；选定合适的流量计型号；实测脉动流特性，理论计算或实验室试验分析测量误差，与结算方进行误差修正；采用误差测量设备对测量误差进行测量和修正，并以此作为结算依据。

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