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流量核查技术在天然气流量计检定中的应用

发布时间:2019-04-18 23:51:19 浏览:

0 引言

天然气流量计实流检定是一个多参数组合测量过程, 影响检定数据准确性的因素较多。检定工况参数不稳定, 参数测量结果不准确, 标准流量计的性能发生变化等都会影响检定结果的准确性和可靠性。要准确开展天然气流量计量, 必须对这些影响因素进行充分的研究和分析, 并采取必要的技术措施。

1 流量计检定的原理

采用标准表法流量标准装置检定流量计依据的是流体流动的连续性原理, 即质量守恒原理[1], 如图1所示。

图1 用标准表法流量标准装置检定流量计的原理图

图1 用标准表法流量标准装置检定流量计的原理图   下载原图

标准流量计MM和被检流量计MUT用管道连接, 在测试时间内, 流入标准流量计MM的质量流量为m1, 流入被检流量计MUT的质量流量为m2, 标准流量计和被检流量计间管容内质量变化量为Δm, 则:

 

当流动达到稳定状态时, Δm=0, 所以

 

亦即天然气流量计的检定是在稳定条件下使天然气连续流过标准流量计和被检流量计, 记录在相同时间间隔内标准流量计和被检流量计的测量值, 通过计算被检流量计的示值误差和重复性等计量性能参数, 来判断流量计检定是否合格[2]

流量计示值误差可用式 (3) 和式 (4) 计算:

 

式中:E为被检流量计的相对示值误差, %;Qm为被检流量计的累积流量, m3;Qs, m为标准流量计的累积流量换算到被检流量计处工况条件下的流量值, m3;Qs, s为标准流量计的累积流量, m3;p为天然气的压力, MPa;T为天然气的温度, K;Z为天然气的压缩因子。下标s表示标准流量计处的参数, 下标m表示被检流量计处的参数。

2 影响检定结果的因素分析

2.1 工况参数稳定性的影响

由式 (1) 可见, 当检定过程中工况参数不稳定时, m1≠m2, 亦即流过标准流量计和被检流量计的量值不一致, 此时用式 (3) 计算得的示值误差不能准确地反映流量计的真实特性。

由于在一次检定过程中天然气组分变化不大, 所以, 此处只考虑压力和温度变化的影响。根据状态方程, 管容内天然气的质量变化量可用式 (5) 计算。

 

式中:p为管容内天然气压力, Pa;V为管容, m3;M为天然气摩尔质量, kg·kmol-1;Z为管容内天然气的压缩因子;R为通用气体常数, J/ (mol·K) ;T为管容内天然气温度, K。

以一组实际检定数据为例, 分别给出压力和温度变化对流量计检定结果的影响。

检定一台DN250流量计, 每次检定时间为60s;在流量为5600m3/h下, 使用5台并联安装的标准流量计, 在流量为580m3/h下, 使用1台标准流量计, 初始检定结果如表1和表2所示。该标准表与被检表之间管道的容积为9.778m3, 累积质量分别为4451.96kg和466.18kg。

表1 5 6 0 0 m3/h流量点初始条件下检定结果     下载原表

表1 5 6 0 0 m3/h流量点初始条件下检定结果

表2 5 8 0 m3/h流量点初始条件下检定结果     下载原表

表2 5 8 0 m3/h流量点初始条件下检定结果

检定参数变化引起附加管容中质量变化对示值误差的影响用式 (6) 计算:

 

假设检定过程中压力变化±5kPa, 温度变化±0.2℃, 对检定结果的影响见表3和表4。

检定规程JJG 1030[3]和JJG 1037[4]中规定对准确度等级不低于1.0级的流量计, 在每个流量点的每一次检定过程中, 压力波动应不超过±0.5%, 检定用气体的温度变化应不超过±0.5℃。按此规定计算压力变化±30kPa、温度变化±0.5℃时, 对检定结果的影响见表5和表6。

可见, 工况参数的稳定性对检定结果有较大的影响, 尤其是小流量点, 因为累积流量较小, 所以, 影响更大, 而且压力或温度变化为检定规程最大允许值时将产生不可忽略的影响。

为了保证检定结果准确, 除了保证在检定过程中工况参数处于稳定状态外, 在设计阶段还应该考虑尽可能减小标准流量计和被检流量计之间的管容, 检定过程中需保证足够长的测量时间。

表3 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力或温度单参数变化)     下载原表

表3 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力或温度单参数变化)

表4 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力和温度组合变化)     下载原表

表4 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力和温度组合变化)

表5 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力或温度单参数变化为检定规程中最大允许值)    下载原表

表5 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力或温度单参数变化为检定规程中最大允许值)

表6 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力和温度组合变化为检定规程最大允许值)    下载原表

表6 工况参数稳定性对检定结果的影响 (压力和温度组合变化为检定规程最大允许值)

2.2 工况参数测量准确性的影响

由式 (4) 可见, 标准流量计和被检流量计处工况参数测量的准确性也会影响检定结果。

为了有个定量的了解, 并且比较不同流量点下相同影响因素对检定结果的影响, 仍以前面的检定数据为例, 分别从标准流量计压力和温度、被检流量计压力和温度、天然气组分等方面定量分析测量结果准确性对检定结果的影响。在分析压力和温度的影响过程中, 同时考虑压力和温度测量结果准确性对压缩因子的影响。

2.2.1 5600m3/h流量点测量结果准确性影响分析

在流量为5600m3/h下, 投用5台并联安装的标准流量计, 初始检定结果如表1所示。

该流量点下标准表或被检表压力测量误差5kPa或温度测量误差0.2℃或组分中C6+测量误差0.02%后对流量计检定结果的影响如表7所示。

从表中可以看出, 多路标准表并联情况下, 被检表压力或温度的偏差比其中一路标准表相同大小的偏差带来更大的示值误差的变化, 而天然气组分偏差对示值误差的变化影响相对较小。

2.2.2 580m3/h流量点测量结果准确性影响分析

在流量为580m3/h下, 投用1台标准流量计, 初始检定结果如表2所示。

表7 5 6 0 0 m3/h流量点测量结果偏差条件下检定结果     下载原表

表7 5 6 0 0 m3/h流量点测量结果偏差条件下检定结果

该流量点下标准表或被检表压力测量误差5kPa或温度测量误差0.2℃或组分中C6+测量误差0.02%后对流量计检定结果的影响如表8所示。

从表中可以看出, 单路标准表情况下, 被检表压力或温度的偏差与标准表相同大小的偏差带来大小近似但方向相反的示值误差变化, 而天然气组分偏差对示值误差的变化影响仍然相对较小。

表8 5 8 0 m3/h流量点测量结果偏差条件下检定结果     下载原表

表8 5 8 0 m3/h流量点测量结果偏差条件下检定结果

3 确保检定结果准确可靠的措施

从上面的分析和讨论可见, 检定过程中工况参数不稳定或测量不准确都会影响检定结果的准确性。标准流量计性能的变化更是直接影响检定结果。为确保检定结果准确可靠, 应采取一系列技术保证措施。

一是对标准流量计及辅助计量器具按照相应的检定规程进行检定和校准, 并对测量结果进行修正。

二是对标准流量计及辅助计量器具的测量结果进行核查。对标准流量计采用实时核查方法, 详见下节;对辅助计量器具采用定期核查, 并对出现偏差的辅助计量器具进行校准。对于温度和压力变送器可以采用标准器进行核查, 也可以用其他变送器进行核查;对于天然气组分分析结果, 采用不同色谱分析仪分析结果计算的压缩因子或相对密度值进行核查。

三是加强对工况参数的监控和调整, 保证检定过程中工况参数稳定。

四是每次检定过程中都要保证有足够长的检定时间。

4 几种流量核查方法的分析和讨论

在标准表法流量标准装置中, 为了监测标准流量计的性能, 通常采用流量核查技术, 即在标准装置中安装不同工作原理的核查标准流量计。一般采用涡轮流量计作为标准流量计, 用超声流量计作为核查标准流量计。常用的流量核查方案有如下几种:即总量核查、一对一核查和对标准装置的核查。

4.1 标准流量计总量核查法

总量核查法是在并联安装的标准流量计的汇管上游串联安装一台核查超声流量计CM, 检定用天然气先流过核查超声流量计, 再流过标准流量计MM和被检流量计MUT, 工作原理见图2。

图2 总量核查法工艺流程原理图

图2 总量核查法工艺流程原理图   下载原图

4.2 标准流量计一对一核查法

一对一核查法是在每一台标准流量计的上游都串联安装一台核查超声流量计, 检定用天然气先流过核查超声流量计, 再流过标准流量计和被检流量计, 工作原理见图3。

图3 一对一核查法工艺流程原理图

图3 一对一核查法工艺流程原理图   下载原图

4.3 标准装置核查法

标准装置核查法是在被检流量计直管段的上游串联安装一台核查超声流量计, 检定用天然气先流过标准流量计, 再流过核查超声流量计和被检流量计。该方案与总量核查法或一对一核查法共同使用会更完善。工作原理见图4、图5。

图4 带总量核查的标准装置核查法工艺流程原理图

图4 带总量核查的标准装置核查法工艺流程原理图   下载原图

图5 带一对一核查的标准装置核查法工艺流程原理图

图5 带一对一核查的标准装置核查法工艺流程原理图   下载原图

4.4 分析和讨论

以上四种流量核查方案均可实现对标准流量计的实时核查, 但又各具特色。

在图2所示的标准流量计总量核查方案中, 所用核查流量计和工艺阀门等设备少, 投资少, 但对个别流量计的性能变化不能直接判别出来。

在图3所示的标准流量计一对一核查方案中, 所用核查流量计和工艺阀门等设备多, 投资大, 但对个别流量计的性能变化能直接准确地判别出来。

图4和图5所示的标准装置核查方案除具有上述两种核查方案的特点外, 还具有更多的优点:

一是实现了对整体标准装置的核查, 包含了工艺系统的影响, 如标准流量计至被检流量计间的因阀门关闭不严可能产生的分流或汇流的影响。

二是可以有效监视检定工作参数是否稳定。由式 (5) 和式 (6) 可见, 工况参数变化的影响与标准流量计、被检流量计或核查流量计间的管容成正比, 而图4和图5所示方案的管容远远大于图2和图3方案中的管容, 所以, 可以更有效地监视检定工况参数的变化。

三是对核查流量计与被检流量计示值误差计算所用的标准流量计参数相同, 算法相同, 核查流量计与被检流量计处的工况参数相近, 所以可对被检流量计结果进行更准确的判断。

5 结束语

对天然气长输管道上安装的流量计检定时应严格控制工况参数的稳定性。保证天然气流量计检定结果准确可靠的前提条件是流量标准装置测量的量值是准确的, 工艺设备是完好的, 操作条件是稳定的。除了要制定完善的管理办法, 采取有效的技术措施外, 增加流量在线实时核查技术是保证检定数据准确、检定结论判断正确的有效措施。