[摘要]標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)用于天然氣流量計(jì)量，測量管在運(yùn)行過程中，直管段內(nèi)壁粗糙度發(fā)生變化。文章按使用年限、氣質(zhì)條件、日輸氣量等因素將真管段內(nèi)壁粗糙度分為四類，分析了各類測量管粗糙度變化，對(duì)計(jì)量系統(tǒng)誤差的影響，并列舉了對(duì)不同管徑的各類計(jì)量管粗糙度的修正。最終提出為減少粗糙度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)的誤差影響，對(duì)上下游直管段的維護(hù)建議。
中石化西南油氣分公司川西氣田目前廣泛采用以.標(biāo)準(zhǔn)孔板作為一次儀表的差壓式計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行天然氣流量計(jì)量，多數(shù)井在后期開發(fā)中泡沫排水等工藝措施十分頻繁，天然氣中含大量水、油、粉塵等雜質(zhì)，測量管在使用過程中，由于長期經(jīng)受臟污氣流的沖刷、腐蝕，最終導(dǎo)致直管段內(nèi)壁粗糙度發(fā)生變化，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)的誤差影響較大，如何減少誤差，提高計(jì)量系統(tǒng)精度，結(jié)合工作實(shí)踐談幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和維護(hù)體會(huì)。
1計(jì)量直管段使用情況調(diào)查
氣田計(jì)量管段自投人使用以來，所有標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)粗糙度均按0.15mm進(jìn)行修正并參與流量計(jì)算。對(duì)現(xiàn)場使用的計(jì)量管段抽樣調(diào)查(結(jié)果見表
1)發(fā)現(xiàn)部分計(jì)量直管段內(nèi)壁嚴(yán)重存在腐蝕、結(jié)垢、結(jié)皮等現(xiàn)象，經(jīng)測算確認(rèn)粗糙度在0.2~2mm之間,遠(yuǎn)大于計(jì)量系統(tǒng)目前的設(shè)定值(0.15mm)，直接影響計(jì)量系統(tǒng)的精度。
按表1分類，分別選取了豐谷站備用管線、江沙7井管線、135管道1、新計(jì)量管四根計(jì)量管進(jìn)行粗糙度檢測，這四條計(jì)量管基本情況以及粗糙度檢測結(jié)果如表2。
由表2可以看出，計(jì)量管的內(nèi)壁粗糙程度跟使用條件有很大關(guān)系，就氣田的氣質(zhì)而言，計(jì)量管投人使用后粗糙度就會(huì)發(fā)生較大的變化，其中結(jié)垢和結(jié)皮對(duì)其內(nèi)壁粗糙度影響最大，計(jì)量管的內(nèi)壁粗糙度與氣質(zhì)臟污程度、輸氣量大小、使用年限長短成正比。按使用年限、氣質(zhì)條件、日輸氣量，其內(nèi)壁粗糙度程度可根據(jù)上述三個(gè)因素大致分為四類，其中--類計(jì)量管的內(nèi)壁粗糙度0.9mm，二類計(jì)量管內(nèi)壁粗糙度在0.4mm左右;三類粗糙度0.25mm左右;四類粗糙度情況最好，為0.015mm左右。
2直管段粗糙度變化帶來的計(jì)量誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)運(yùn)行時(shí)，對(duì)直管段的要求主要包括:(1)直管段長度;(2)直管段圓度和直徑;(3)直管段內(nèi)壁粗糙度。以上三個(gè)條件中，直管段粗糙度最易發(fā)生變化。欲達(dá)到規(guī)定的不確定度值，直管段內(nèi)壁粗糙度必須滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446--2008所提要求。
由于天然氣從地層中采出來，雖經(jīng)分離、除塵或過濾，因其所含成分十分復(fù)雜，從單井采氣計(jì)量、集氣計(jì)量到配氣計(jì)量，氣質(zhì)組分各不相同，因而節(jié)流裝置在使用過程中其沖刷、腐蝕程度也不相同。經(jīng)調(diào)查研究表明，氣流對(duì)孔板直角人口邊緣和測量管內(nèi)璧的沖刷腐蝕尤為嚴(yán)重，這將造成流出系數(shù)C發(fā)生變化，流量測量不確定度超過估算值。為了減小誤差，推薦更新孔板和新測量管，若要繼續(xù)使用可求出粗糙度算術(shù)平均偏差R,，對(duì)流出系數(shù)修正后再使用。
修正方法為:將原流出系數(shù)C乘上粗糙度系數(shù)YRe，即:
C'=C·YRe·bk(1)
式中:C'為修正后的流出系數(shù);C為標(biāo)準(zhǔn)流出系數(shù);YRe為管道粗糙度修正系數(shù);bk為孔板開孔人口邊緣尖銳度修正系數(shù)。
注:本文不討論孔板開孔入口邊緣尖銳度磨損對(duì)計(jì)量的影響。
其中修正系數(shù)YRe隨測量管內(nèi)壁相對(duì)粗糙度K/D和管徑雷諾數(shù)ReD而變化，其值按下式計(jì)算:
當(dāng)ReD≥106時(shí)，
YRe=γRe=γoo
γo與直徑比β2和相對(duì)粗糙度的倒數(shù)D/K有關(guān),其值在標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446--2008中查表求得。其中,K為等效絕對(duì)粗糙度，可從標(biāo)準(zhǔn)CB/T21446--2008中查表取得，有條件的情況下，用流體實(shí)驗(yàn)方法測出相對(duì)粗糙度K/D。
γo由β2和D/K共同決定，換言之，由粗糙度帶來的計(jì)量誤差由β2和D/K分別引入。對(duì)同-計(jì)量管,其相對(duì)粗糙度是一定的，因此其γ0隨β增大而增大;而β的大小往往由輸氣量大小決定，氣量越大，β值越大。
當(dāng)D/K=400,β2=0.6時(shí)，查表可知γo達(dá)到最大，為1.020;同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，法蘭取壓時(shí)，ReD≥106，則γRe=γo，即此時(shí)γRe=1.020，則C'=1.020C。
已知:
即:當(dāng)D/K=400,β2=0.6時(shí)，由測量管內(nèi)壁粗糙帶來的計(jì)量相對(duì)誤差為(1.02-1)x100%=2%。也就是說，如果不對(duì)計(jì)量管進(jìn)行粗糙度修正，結(jié)果會(huì)比實(shí)際值偏低2%。
然而，對(duì)于腐蝕程度高、嚴(yán)重結(jié)皮的鋼管，其K值可能大于2mm,Ra可能大于0.6mm。
依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，大部分應(yīng)用較久、氣質(zhì)較臟的計(jì)量管其內(nèi)壁粗糙度較大，D/K值大多小于400，因.此C'極可能大于1.020C，即由測量管內(nèi)壁粗糙引人的計(jì)量相對(duì)誤差也大于2%。目前在某些廠家的計(jì)算軟件可以對(duì)粗糙度小于1mm的情況進(jìn)行修正，超過1mm的就不能修正了。因此，若測量管內(nèi)壁粗糙度大于1mm,則不具備修正意義，應(yīng)更換新的計(jì)量管。
3四類計(jì)k管粗糙度誤差影響
結(jié)合實(shí)驗(yàn)用計(jì)量直管段現(xiàn)場使用條件，采用上文所述方法可以計(jì)算得出該四條直管段在使用過程中給計(jì)量帶來的誤差影響。
(1)豐谷站備用計(jì)量直管段粗糙度帶來的計(jì)量誤差影響:
由表1提供的參數(shù):K=0.870mm，則D/K=150/0.870=172;β2=0.62=0.36
由于D/K=172<400,無法通過標(biāo)準(zhǔn)查表求得γo值，但依據(jù)表中γo變化趨勢(shì)可大致判定γo的范圍在1.009~1.014之間，則C'也在(1.009-1.014)C之間。即該計(jì)量管因粗糙度引人的計(jì)量誤差在-(0.9~1.4)%之間。
(2)江沙7井計(jì)量直管段粗糙度帶來的計(jì)量誤差影響:
由表1提供的參數(shù):K=0.416mm,則D/K=80/0.416=192;β2=0.27=0.073≈0.1
由于D/K=192<400,無法通過標(biāo)準(zhǔn)查表求得Yo值，但依據(jù)表中γo變化趨勢(shì)可大致判定γo的范圍在1.003~1.006之間,則C'也在(1.003~1.006)C之間。即該計(jì)量管因粗糙度引人的計(jì)量誤差在-(0.3~0.6)%.之間。
(3)135井管道1計(jì)量直管段粗糙度帶來的計(jì)量誤差影響:
由表1提供的參數(shù):K=0.230mm，則D/K=100/0.230=435;β2=0.52=0.25.
由于D/K=435>400，可以查表求得γo值，在1.003~1.006之間。則C'也在(1.003~1.006)C之.間。該計(jì)量管因粗糙度引人的計(jì)量誤差在-(0.3~0.6)%之間。
(4)新計(jì)量管的內(nèi)壁很光潔則可忽略粗糙度引入的計(jì)量誤差。
4直管段內(nèi)壁粗糙度修正
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，因測量管內(nèi)壁粗糙度變化導(dǎo)致的流出系數(shù)C將發(fā)生變化，流量測量不確定度超過估算值。為了避免這種超差，推薦更新孔板和新測量管，若要繼續(xù)使用可求出粗糙度算術(shù)平均偏差Ra,對(duì)流出系數(shù)修正后再使用。
由于標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)D/K≥400的情況提出了規(guī)定，因此現(xiàn)場在用的部分計(jì)量管是無法按實(shí)際粗糙度進(jìn)行修正的。就目前采用的積算軟件而言,K值最大也只能修正到D/K=400的情況，表3列出了氣田內(nèi)目前常用的幾種測量管可以進(jìn)行修正的粗糙度值。
由表3可知:不同管徑的計(jì)量管，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)能修正的K值的最大限值，即超過該范圍就不能修正了，也就是超限K值參與積算出的流量已經(jīng)偏離正常值。
例:現(xiàn)有在用計(jì)量管150mm，β值為0.7，K為0.44mrm。
則:D/K=340，查表3得，最大K值為0.375mm。D/K=400，β2=0.5時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)中查表γo為1.014,即相對(duì)修正量為1.4%。
D/K=340<400，因此實(shí)際相對(duì)修正量應(yīng)該大于1.4%
同時(shí)，目前川西氣田所有的計(jì)量直管段粗糙度修正系數(shù)均取0.15mm，經(jīng)推算現(xiàn)場相對(duì)修正量僅為(0.6~0.9)%，即比理論修正量偏低(0.5~0.8)%。
由此可得，川西氣田現(xiàn)用的粗糙度修正系數(shù)0.15mm不合理，應(yīng)依據(jù)計(jì)量管的實(shí)際粗糙度情況，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取值。對(duì)沒有超過限值的按實(shí)際K值修正，對(duì)超過限值的，按最大限值進(jìn)行修正。下面(見表4)將給出不同管徑的各類計(jì)量管應(yīng)采用的修正值。
豐谷站備用管線與江沙7井計(jì)量管段，均為D/K<400,標(biāo)準(zhǔn)并未給出D/K<400時(shí)的Yn值查詢，因此無法進(jìn)行粗糙度修正，故該兩類計(jì)量管已不具備粗糙度修正的意義。
135井管道1計(jì)量直管段由于D/K>400,沒有超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，因此可以通過軟件進(jìn)行粗糙度修正，修正值即為實(shí)測K值0.23mm。
5直管段使用維護(hù)建議
目前，川西氣田的一類測量管內(nèi)璧粗糙度約為0.9mm左右，有嚴(yán)重結(jié)皮現(xiàn)象;二類測量管內(nèi)壁粗糙度在0.40mm左右，內(nèi)壁大多數(shù)有結(jié)垢和輕微結(jié)皮現(xiàn)象;三類測量管內(nèi)璧粗糙度在0.25mm左右，內(nèi)壁大多數(shù)有結(jié)垢現(xiàn)象。這三類測量管在不同管徑下，采用的K值修正值各不相同。.
目前，氣田內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)對(duì)測量管統(tǒng)一采用0.15mm的修正值，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推算內(nèi)壁粗糙度給計(jì)量系統(tǒng)引人的誤差可達(dá)2%以上，因此須分類修正。
當(dāng)粗糙度沒有超過限值時(shí)采用實(shí)測值修正，對(duì)超過限值的按最大限值修正。當(dāng)然超過限值的按最大限值進(jìn)行修正，也只是從一定程度上減小粗糙度對(duì)計(jì)量的影響，要從根本上消除其影響只有確保計(jì)量管內(nèi)壁光滑、潔凈，盡可能將天然氣中油、水、雜質(zhì)等分離干凈，加強(qiáng)對(duì)計(jì)量管的檢查維護(hù)，對(duì)沒有維護(hù)價(jià)值的進(jìn)行更換。因此，測量管在使用過程中，直管段內(nèi)璧應(yīng)保持清潔、除掉污垢，管道內(nèi)壁上的腐蝕硬皮應(yīng)除掉,同時(shí)對(duì)內(nèi)壁表面粗糙度進(jìn)行檢測，至少在孔板上游側(cè)10D的直管段部分(即測量管)應(yīng)滿足GB/T21446--2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有明顯沖刷和腐蝕時(shí)，如其內(nèi)壁粗糙度不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，更新為內(nèi)表面符合要求的測量管。
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