摘要:文章論述了智能孔板流量計在天然氣測量中的應用情況,分析了傳統(tǒng)孔板流量計的原理及在石油天然氣鉆采工程領域應用的優(yōu)缺點,闡述了新型一體化智能孔板流量計的特點及對未來發(fā)展前景的展望。
在20世紀初,孔板流量計應用于天然氣流量測量,經過一個世紀的發(fā)展,它已成為全世界最主要的天然氣流量計[1]。近年來,盡管出現(xiàn)了許多新型天然氣測量流量計,如,超聲流量計、氣體渦輪流量計等。但由于孔板流量計測量技術歷史悠久、應用范圍廣、結構簡單、使用壽命長及價格低等特點,且標準型孔板流量計可以無須校準而確定信號(差壓)與流量的關系,并估算其測量誤差等特點,在流量計中是惟一的。正是由于上述原因,在今后相當長一個時期內,由于種種因素的制約,特別是標定不能獲得妥善解決之前,孔板流量計仍是天然氣計量的主要儀表。
1 孔板流量計的測量原理
孔板流量計是根據安裝在管道中孔板產生的差壓、已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來測量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。如圖1,當流體流經設置在管道中的節(jié)流件(孔板)時,流束將在節(jié)流件處形成局部收縮。此時流速增大,靜差壓降低,在孔板前后產生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據差壓來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎,流量為[2]。
qm= C(1-β 4)- 1/2επ/[4d2(2Δpρ1)1/2],
式中,qm為質量流量,kg/s;C為流出系數(shù)m3/s;ε為可膨脹形系數(shù);β為直徑比,β= d/ D; d為工作條件下節(jié)流件孔徑,m;D為工作條件下上游管道內徑,m;Δp為差壓,Pa,Δp= p1- p2;ρ1為上游流體密度,kg/m3。
2 新型孔板流量計的特點
由孔板流量計的測量原理可知,流量與差壓為平方根關系,如果壓差降低到原差壓的1/9,則流量將減小到原流量的1/3,這樣,對于一個差壓上限固定的差壓變送器來說,其測量精度是下降了,這就是傳統(tǒng)孔板流量計的量程比最大為4∶1的原因。在石油天然氣鉆采工程領域,天然氣的流量,物性參數(shù)等會隨年份不同,工況條件不同有很大差異,采用傳統(tǒng)孔板流量計測量存在測量范圍窄,測量精度低,需在工況變化時,更換不同的孔板元件等缺點。近年來,隨著微電子技術,計算機技術,新材料,新工藝的迅速發(fā)展,差壓變送器和流量計已大大提高其性能及可靠性,儀表廠家相繼開發(fā)了一些寬幅一體化智能孔板流量計,對原有的孔板流量計做了很大改進。
a) 流量測量范圍擴展方式改進 在石油天然氣測量中,對流量變化大的場合,傳統(tǒng)做法是同時配備多塊β值不同的孔板或并列幾臺流量計。新型智能孔板流量計,如,日本SONIC公司開發(fā)的孔板流量計,其流量比的范圍可在流量計算機上進行選擇。流量計算機上除設有正常流量比外,還設有2個擴展功能(如圖2),一是為了計量小流量,可將計量范圍擴大到最大可測流量的1/40,這種功能是在流量計算機上采用擴展差壓分解功能系統(tǒng),不用更換孔板和差壓變送器就可完成;另一個擴展功能就是大流量側計量范圍的擴張,這是將差壓擴大,從而使大流量側的計量范圍加以擴大的一種系統(tǒng)。另外還有超寬幅范圍方式,量程比最大可達1∶180,采用2臺差壓變送器,各自負擔著小流量范圍和大流量范圍的測量,各自獨立發(fā)信號,流量計算機則把這些信號分成不同領域進行變換選擇,并在各領域進行演算,從而使超寬幅范圍在測量上也能保證較高的精度。雖然多投入了1臺差壓變送器,但是與并列2臺流量計的設備費用相比,既提高了經濟效益,又節(jié)省了來回切換的麻煩;與采用多塊孔板的方法相比,避免了孔板更換,降低了生產操作難度。
b) 孔板元件與二次儀表(差壓變送器及流量積算儀)一體化 傳統(tǒng)孔板流量計在應用中,孔板與二次儀表分開,把差壓信號送到中控進行流量計算,在流量變化較大的場合,還需配備多塊孔板,一體化流量計完全解決了這一不便,使孔板和二次儀表成為一體,省去了引壓管線,減少了故障率,改善了動態(tài)特性,方便了安裝使用[2],且體積小,節(jié)約成本,無需現(xiàn)場更換孔板,只需設定量程比即可,操作方便,受到用戶的歡迎。
c) 自動溫壓補償功能 孔板流量計的總精度為± 0.8%～ 5.0%[3],對孔板流量計來說,密度是影響流量計特性的最主要參數(shù),而密度又是溫度、壓力的函數(shù),現(xiàn)場壓力溫度波動是不可避免的,由此引起的物性參數(shù)的變動是使用時產生附加誤差的主要原因之一,在高精度測量時應特別注意。由于天然氣是可壓縮流體,受溫度、壓力的影響較大,為了保證精確度,常常采用溫壓補償。新型孔板流量計可將壓力和溫度信號直接送入現(xiàn)場流量計算機,對流量進行壓力和溫度變化時的自動補償運算,并將精確的流量值送到中控。但須注意的是,零誤差的儀表是沒有的,若補償方法不當,有累積這些儀表誤差的可能,增加了故障因素,所以,進行補償時須慎重考慮。另外,在某些場合,當流體組分發(fā)生變化時,就不能采用壓力、溫度補償,而應采用密度補償[2]。
3 發(fā)展前景
隨著科學技術的不斷發(fā)展,與傳統(tǒng)孔板流量計相比,當今智能孔板流量計發(fā)展趨勢是一體化、高精度、寬量比的新型流量計,并擁有補償功能完善的流量計算機,具有強大的功能軟件,同時設有RS485標準計算機通信接口,可與DCS連接通信,對維護檢修提供了方便,在工業(yè)生產過程中方便實用。同時,由于新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度,并經計算單元作氣體壓力、溫度修正或測氣體質量流量,減少了獨立的傳感器數(shù)量,簡化管線工程,降低安裝費用;減少管線開孔,降低潛在泄露點[4],提高整體可靠性,這些都為智能孔板流量計更好地應用提供了可靠的技術保證。
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