摘要:為了提高天然氣附加值,各油氣田紛紛采用深冷方式從天然氣中分離出乙烷氣體作為產(chǎn)品銷售。但乙烷氣體的組分、密度與常規(guī)的天然氣存在較大差異，致使貿(mào)易交接計(jì)量沒有可參照的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了提高乙烷氣體計(jì)量的精度,應(yīng)選擇正確的測量方法,通過比較常用氣體流量計(jì)的測量原理,分析了壓縮因子計(jì)算的精度對氣體體積測量精度的影響程度，最終推薦采用質(zhì)量流星計(jì)進(jìn)行乙烷氣體交接計(jì)量;同時(shí)結(jié)合質(zhì)量流星計(jì)的工作原理和現(xiàn)場實(shí)際使用過程中的經(jīng)驗(yàn),對質(zhì)量流量計(jì)的檢定、安裝和使用等環(huán)節(jié)提出合理化建議,以便為更多天然氣附加產(chǎn)品的交接計(jì)量提供技術(shù)支撐。
乙烷與液化氣、穩(wěn)定輕烴和穩(wěn)定凝析油等原料相比，具有乙烯轉(zhuǎn)換率,是優(yōu)質(zhì)的乙烯原料。近年來各油田公司通過對油氣田產(chǎn)出的天然氣進(jìn)行增壓深冷將乙烷氣體分離后輸送到煉化企業(yè)，作為乙烯生產(chǎn)的原料,提高天然氣的附加價(jià)值。作為交接產(chǎn)品的管輸乙烷氣體其組分、密度與管輸天然氣存在較大差異。目前天然氣交接計(jì)量過程中執(zhí)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不適用于乙烷氣體，需要探討適合乙烷氣體交接計(jì)量的測方法，以確保乙烷氣體交接計(jì)量數(shù)據(jù)正確、公平、公正。
1常用天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算方法
目前國際上天然氣貿(mào)易交接普遍采用超聲、渦輪流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦、孔板等計(jì)量儀表。其中超聲、渦輪、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等計(jì)量儀表直接測量均為氣體的工況體積量，然后通過氣體方程公式(1)對工況體積量Vg進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，最終換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積量V,進(jìn)行交接11。
式中:Vn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，Nm3;pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，0.101325Pa;T.為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度(293.15),K;Z.為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子;Vg為工作狀態(tài)下的體積，m3;pg為工作狀態(tài)下的絕對壓力，Pa;Tg為工作狀態(tài)下的絕對溫度(273.15+t),K;t為被測介質(zhì)攝氏溫度,℃;Zg為工作狀態(tài)下的壓縮因子。
GB/T21446--2008121《用標(biāo)準(zhǔn)孔板測天然氣》中測量天然氣的質(zhì)量流量qm計(jì)算方法如公式(2)和公式(3)所示:
式中:qm為天然氣的質(zhì)量流量，kg;C為流出系數(shù)，與節(jié)流裝置的幾何尺寸和雷諾數(shù)相關(guān);b為直徑比，孔板開孔直徑與上游測量管內(nèi)徑之比;ε為可膨脹系數(shù),對于給定的計(jì)量裝置該值取決于流體靜壓、孔板前后差壓和等熵指數(shù);d為孔板開孔直徑，m;△p為孔板前后斷面差壓，Pa,可以采用蹉壓變送器正確測量;ρ1為介質(zhì)工作狀態(tài)下的密度,kg/m3。由公式(3)計(jì)算得出:
式中:M為于空氣的摩爾質(zhì)量,值為289626kg/kmol;G為天然滇實(shí)相對密度;R為通用氣體常數(shù),值為0.00831451MPam3/(kmolK);Ze為于空氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子，值為0.99963。
式(1)(2)(3)中ρn、Tn、M、Za、R、C、d、β等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、絕對溫度、通用氣體常數(shù)等常數(shù)或與流量計(jì)尺寸相關(guān)的常量，取值確定，不影響計(jì)量值的精度。而Vg、Pg、Tg、Zn、Zg等為變量,其測量的精度直接影響計(jì)量值的精度。GB18603《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》附錄A對以上變量的精度提出明確的要求[3),具體要求見表1。
表中溫度、勵(lì)、工作條件下的體積流量均為直接測量參數(shù),并且可以通過選用高精度的測量儀表降低測量誤差。而氣體的壓縮因子是一個(gè)非直接測量量，其大小與氣體的組分、高位發(fā)熱量、相對密度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)相關(guān)。
2壓縮因子對氣體標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算的影響
目前國際上推薦采用AGA892DC和SGERG-88方程計(jì)算工作狀態(tài)下天然氣壓縮因子。我國起草發(fā)布《天然氣壓縮因子的計(jì)算》GB/T17747--2011也采用以上兩種不同方法計(jì)算天然氣壓縮因子。國際上多數(shù)流量計(jì)生產(chǎn)廠家在流量計(jì)算機(jī)中置入以上兩種壓縮因子計(jì)算軟件。但是兩種壓縮因子計(jì)算方法對管輸天然氣的組成范圍有所限制，當(dāng)天然氣中乙烷含量超出20%后,計(jì)算的壓縮因子不確定度20.5%。通常管輸乙烷氣體中乙烷含量≥95%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出AGA8-92DC和SGERG-88方程的適用范圍。壓縮因子計(jì)算的不確定度難以估算,直接影響交接計(jì)量的不確定度。
3質(zhì)量流量計(jì)工作原理
由于乙烷氣體壓縮因子計(jì)算的不確定度難以估計(jì)，因此在流量計(jì)選型過程中應(yīng)該避開壓縮因子計(jì)算過程，建議選擇科里奧利質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量乙烷氣體。
科里奧利質(zhì)量流星計(jì)(簡稱科氏力流星計(jì))是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表。流量計(jì)由振動(dòng)管、電磁驅(qū)動(dòng)器和檢測器組成。振動(dòng)管(測量管道)是敏感器件,有U形、0形、環(huán)形、直管形及螺旋形等幾種形狀,振動(dòng)管有單管、雙管和多管等形式，但基本原理相同。
U形管式科氏力流量計(jì)的測量原理如圖1所示。U形管的兩個(gè)開口端固定，流體由此流入和流出。U形管頂端裝有電磁驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)U形管沿垂直于U形管所在平面的方向以0-0為軸按固有頻率振動(dòng)。U形管的振動(dòng)迫使管中流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨管道作垂直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體將受到科氏力的作用，同時(shí)流體以反作用力作用于U形管。流體在U形管兩側(cè)的流動(dòng)方向相反，所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反，從而使U形管受到一個(gè)力矩的作用，使得振動(dòng)管繞R-R軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過流量計(jì)的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。檢測器測得這個(gè)變彩量，即可測得管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量。
科里奧利流量計(jì)可以將被檢測的流體質(zhì)量流量直接體現(xiàn)出來,質(zhì)量作為物質(zhì)本身的屬性其大小不隨溫度、力等參數(shù)改變而改變,計(jì)量數(shù)據(jù)可直接用于供需雙方交接計(jì)量。此外可以正確測量氣體組分，采用GB/T11062-2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》正確計(jì)算乙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，進(jìn)而得到氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，甚至熱:值流量。
4存在的問題及建議
4.1檢定問題
由于氣體實(shí)流檢定成本高，送檢周期長，因此質(zhì)量流量計(jì)的用戶通常選擇采用液體(水)對流量計(jì)進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)。針對液體檢定的數(shù)據(jù)是否能夠真實(shí)反映氣體介質(zhì)運(yùn)行工況下
的計(jì)量性能，在設(shè)備投用前分別采用水和天然氣兩種介質(zhì)對相同型號(hào)的2臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行了檢定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
由表2可知:
(1)同-臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)用于液體計(jì)量的精度要高于氣體計(jì)量的精度。主要原因是氣體的密度要遠(yuǎn)低于液體密度，因此計(jì)量氣體時(shí)，瞬時(shí)流量通常低于流量計(jì)最大量程的
1/3,超出計(jì)量儀表的最佳運(yùn)行范圍。
(2)循環(huán)水標(biāo)定的數(shù)據(jù)如不超出流量計(jì)的精度等級的要求，氣體校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)也能保持在測量氣體規(guī)定的精度等級范圍內(nèi)。建議計(jì)量乙烷氣體的質(zhì)量流量計(jì)在不具備實(shí)流檢定條件的情況下，可采用循環(huán)水進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，但檢定和校準(zhǔn)的流量點(diǎn)應(yīng)接近實(shí)際運(yùn)行工況下的質(zhì)量流量，并按照液體計(jì)量精度等級的要求進(jìn)行評價(jià)[81。
4.2消除安裝應(yīng)力
由于管道伸縮變形會(huì)造成應(yīng)力，使得傳感器零點(diǎn)發(fā)生變化，影響測量精度。因此質(zhì)量流量計(jì)在安裝過程應(yīng)注意以下幾點(diǎn):.
(1)傳感器的安裝位置避開由于溫度變化可能弓|起伸縮和變形較大的工藝管段。
(2)傳感器安裝法蘭必須與管道法蘭同軸連接以減小安裝應(yīng)力，保證測量精度。
(3)應(yīng)保證與傳感器上游、下游鏈接的管道有穩(wěn)固支撐物，支撐桿應(yīng)以傳感器為中心對稱分布，支撐桿與基礎(chǔ)牢固連接。傳感器安裝位置附近管道線上的閥]或泵都需要有其
自己的支撐物，不與傳感器共用同一支撐物。
(4)為消除安裝應(yīng)力，安裝傳感器時(shí)應(yīng)先配管，將工藝管線、閥門與傳感器整體預(yù)先安裝好并吊裝，再將其與工藝主管線焊接,焊接時(shí)應(yīng)使傳感器、閥門及工藝主管線處于同鉛垂面內(nèi)。
4.3壓力補(bǔ)償
力影響定義為過程壓力偏離檢定/校準(zhǔn)壓力而引起的傳感器靈敏度的變化101。流體過程壓力增大會(huì)使測量振動(dòng)管呈繃緊現(xiàn)象,這種壓力效應(yīng)雖然影響量很小，但是當(dāng)使用時(shí)過程壓力與標(biāo)定壓力相差很大時(shí)，對于高精度質(zhì)量流量計(jì)精度的影響還是不容忽視的，尤其是對于管徑大、測量管壁厚小的質(zhì)量流量計(jì)影響更大。
日常工作中的壓力補(bǔ)償方法有流量系數(shù)標(biāo)定法、靜態(tài)壓力補(bǔ)償法和動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償法。具體方法可以根據(jù)現(xiàn)場的運(yùn)行工作，參照廠家的說明書進(jìn)行補(bǔ)償。對于運(yùn)行壓力相對穩(wěn)定的計(jì)量工藝，可采用靜態(tài)壓力補(bǔ)償法。根據(jù)廠家提供的流量計(jì)產(chǎn)品樣本,可以查閱到需要進(jìn)行靜態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)型號(hào)，并粗分別找出壓力對流量和密度影響的系數(shù),然后用H
HART手抄器或ProLinkI12.0軟件寫入流量計(jì)。
4.4避免雜質(zhì)聚集
測量管內(nèi)壁磨損腐蝕或沉積結(jié)垢會(huì)影響測量精度,對于計(jì)量介質(zhì)為氣體的質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)采用外殼朝上水平安裝、傾斜45°或垂直安裝傳感器3種方式，如圖2所示,避免冷凝液聚積在傳感器振動(dòng)管內(nèi)。
4.5避免天然氣冰合物
在一定壓力、溫度下，天然氣中的某些成分與水生成一種外形像冰的籠形化臺(tái)物。氣體壓力的波動(dòng)、流速突變產(chǎn)生攪動(dòng)會(huì)加速水合物的形成，氣體的相對密度越大生成水合物的溫度范圍越寬。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)振動(dòng)管內(nèi)徑細(xì)小，在管路中屬于節(jié)流元件,對氣流有一定的擾動(dòng)，乙烷氣體相對密度較天然大，在計(jì)量裝置前后很容易形成水合物阻塞管路。因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能減少計(jì)量線路中阻流件的設(shè)置,必要時(shí)需要對流量計(jì)進(jìn)行保溫，避開水合物形成的溫度及壓力范圍。
5結(jié)束語
乙烷交接計(jì)量目前尚無可以遵循的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SYT6659--2016《用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定適用的天然氣相對密度范圍為0.554~0.870，商品乙烷氣體的相對密度超出了該范圍，被排除在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍外。但是該標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量轉(zhuǎn)換體積量的計(jì)算方法并不涉及壓縮因子的計(jì)算,從理論上講對氣體的真實(shí)相對密度不應(yīng)該有所限制。如果將該標(biāo)準(zhǔn)=氣體的適用范圍擴(kuò)大,乙烷交接計(jì)量就有據(jù)可循了。
乙烷氣體交接計(jì)量的測量方法不應(yīng)僅局限于質(zhì)量流量計(jì)的測量方法，可以進(jìn)一步探索乙烷t氣體壓縮因子計(jì)算方法，對GB/T17747適用范圍進(jìn)行補(bǔ)充，從而為乙烷氣體交接計(jì)量器具選擇的多樣性提供技術(shù)支撐。
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