差壓式孔板流量計的誤差來源與控制對策

      我國天然氣流量計量目前仍以差壓式孔板流量計為主，僅長慶氣田目前就有近300套。由于孔板流量計的誤差影響因素較多，往往造成計量不確定度增大。筆者通過在長慶氣田近幾年的使用與研究，在孔板流量計的誤差研究方面積累了一些使用經驗，提出了相應的對策予以改善或消除，以期對同行有所裨益。

       一、誤差來源分析

      天然氣流量測量中的不確定度主要來源于以下3個方面：①流量計算方程中描述流體流動狀態的真實性不確定度因素；②被測介質實際物理性質（物性因素）的不確定度因素；③測量中重要設備的不確定度因素。

      針對以上3方面因素做具體分析如下。

      1.流量計算方程中描述流體流動狀態的真實性的不確定度因素

      （1）流出系數C

       計算公式為：

     

（1）

      （1）流出系數C是在上游直管段充分長的實驗條件下，并且孔板節流裝置在滿足規定的技術指標下進行校準標定的，才具有計量特性。

      當氣流流束在孔板前1D處充滿管道，且為紊流狀態時，流出系數C的百分誤差為：

    

      當β≤0.6時，為±0.6%
      當0.75≥β>0.6時，為±β%

      設有一套法蘭取壓的孔板測量裝置，D=50mm，設計β=0.5刻度流量時的Re_D0=1X10⁶，設Re_D1=2X10⁴、Re_D2=5X10⁴、Re_D3=1X10⁵、Re_D4=1X10⁷、Re_D5=1X10⁸、Re_D6=1X10⁴，經過查表或計算得出C₀=0.6034；C₁～C₆見表1，δ=（C₁-C₀）/C₀。

表1 對應參數表 

D=50mm,設計β=0.5刻度流量時的ReD=1X106
ReD	2X104	5X104	1X105	1X107	1X108	1X10
C1	0.6126	0.6078	0.6058	0.6030	0.6029	0.6029
δ	-1.52%	-0.73%	-0.40%	0.07%	0.08%	0.08%

      （2）由上例可以看出：當速度剖面較充分發展的速度剖面尖時（雷諾數小），流出系數會變大，當速度剖面較充分發展的速度剖面平時（雷諾數大），流出系數會變小。流出系數C隨著流量的增大而減小，實際流量越小于刻度流量，則流出系數C引起的流量誤差會越大。

      （3）孔板流量計的流出系數C不是一個固定值，它隨雷諾數的變化而變化，但是當雷諾數增大到某一數值時，變化量減小。對于法蘭取壓，雷諾數應該在10⁶以上，對于角接取壓，雷諾數應在2X10⁵以上。

       流量測量不確定度中和流出系數有關的相關項為孔板開孔直徑。大小為 

，測量管直徑，大小為

，β值允許0.75≥β≥0.2。據公式計算出C的變化范圍為：±0.0197%～±0.1791%。

      2．孔板粗糙度、銳利度、平整度的影響

      SY/T6143-1996對孔板的直角入口做了嚴格的技術規定，即：無卷口、無毛邊、無目測可見的異常現象，并且是尖銳的直角，若邊緣形成圓弧，其圓弧半徑r_k≤0.0004d，孔板開孔內圓柱面與孔板上游端面垂直，誤差小于±1°，粗糙度高度參數Ra≤0.0004d，且不影響尖銳度測試。

      對于孔板性能對流量的影響，筆者做過相應的對比試驗：分別取DN100mm的標準孔板，編號為GKF75761，經檢測其r_k為0.05mm（允許值小于等于0.04mm），GKF78790其粗糙度高度參數為Ru為45μm（允許值小于等于40μm）。編號為GKF75007的各項指標均符合要求的孔板進行一相對穩定的氣流測量，測試中將不符合規格孔板放在氣井單量裝置，標準孔板放入氣井外輸裝置，忽略裝置之間的差異，某單井一天天然氣流量測試結果見表2。實驗表明，忽略氣流的微小波動，對于r_k超差的不合格孔板其計量誤差范圍為-2.81%～3.14%，Ra超差的不合格孔板計量誤差為-2.58%～2.72%，若r_k、Ra超差嚴重則氣量偏差更大，甚至可達到10%。

                                                          表2 天然氣流量測試結果表                                   10⁴m³/d

 

時間	7:00	8:00	9:00	10:00	11:00	12:00	13:00
GKF75007	10.2354	10.2589	10.2122	10.2401	10.2349	10.2305	10.2450
GKF75761	9.94247	9.9699	9.9231	9.9201	9.9321	9.9111	9.9233

時間	14:00	15:00	16:00	17:00	18:00	19:00	20:00
GKF75007	10.2309	10.2401	10.2426	10.2298	10.2287	10.2278	10.2408
GKF78790	9.9654	9.9754	9.9689	9.9654	9.9599	9.9501	9.9701

       3．被測介質實際物理性質的不確定度因素

      （1）標準中要求流經天然氣的流體為氣流必須是單相的牛頓流體。若氣體含有質量分數不超過2%的固體或液體微粒，且呈均勻分散狀態，也可被認為是單相的牛頓流體。

      在實際使用中，從井口到計量管線的過程中，天然氣通常攜帶一定量的水、脫水劑和凝結液。這些液體來自分離效果差的分離器和負荷大的脫水單元，當流動溫度和壓力變化時，氣體中的重烴組分也會凝析出來。

      美國雪佛龍公司和科羅拉多工程實驗站分別對此進行了研究，實驗為將經過標準渦輪流量計計量的天然氣在通過注水管注水后用孔板流量計進行計量。其結論為：①用孔板流量計測量氣體流量，當氣體中夾帶少量液體時，流量測量不確定度偏高，測量的濕氣流量隨β的增加而減少，在β比為0.7時，測得的流量偏差為-1.7%；①當夾帶少量液體時，在β比為0.5時表明孔板性能較好，但是應將夾帶液體在孔板上游脫出，以獲得的計量性能；③用舊的孔板流量計測量濕氣，流量計量值將降低3%。

      這項研究結果說明，天然氣在進入計量裝置以前，如果要獲得非常好的計量性能，應脫除天然氣中所含的水分，對于日處理氣量近百萬立方米的集氣站，這一點非常重要。

      （2）可膨脹系數（ε）  

     

（2）

      式中：k表示等熵指數。

      可膨脹系數的百分誤差為：（±4△p/p₁）%。由于誤差系數的影響，如被測系統壓力低到4△p/p₁；可以和β比較，被測系統壓力將直接影響到測試準確度。當被測系統壓力為高壓系統時，可以忽略該項誤差。目前在天然氣計量中差壓一般在500～50000Pa范圍內，靜壓在1～10MPa范圍內。因此ε的誤差最小為±0.0002%，為±0.2%（甚至會更大）。

      （3）天然氣相對密度的影響

      密度參數是天然氣測量中極為重要的物性參數，密度測量的不確定度對整個測量系統的不確定度有著很大影響，目前國內普遍采用測量氣流壓力、氣流溫度和定時取樣得到氣流全組分，由于壓力溫度的波動，天然氣的相對密度并不是一個固定值。密度不確定度估算公式為：

     

（3）

      根據計量條件估算密度帶來的不確定度：當儀表精度較低且運行在下，不確定度為±1.818%；反之不確定度則在±0.793%，由此可見密度在流量測量中至關重要。所以為了準確進行天然氣計量，選用在線氣相色譜儀進行組分在線分析是十分必要的。長慶氣田在向北京、陜西、寧夏以及西氣東輸供氣的外貿計量裝置上均采用了在線色譜，平均5min采樣分析一次，能夠及時檢測到組分的變化情況，提高了計量精度。

      4．測量中重要設備的不確定度因素

      該項不確定度因素主要體現在孔板β比選擇方面、還包括二次儀表的不確定度：

      （1）β比選擇

      根據SY/T6143-1996中的體積流量不確定度公式為：

     

（4）

      據式（4）可以計算出直徑比β與流量不確定度

 的關系如表3所示。 

表3 直徑比與體積流量不確定度的關系表   %

 

直徑比β	0.2	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45
不確定度	0.7463	0.7648	0.7469	0.7471	0.7474	0.7478
直徑比β	0.50	0.55	0.6	0.65	0.7	0.75
不確定度	0.7503	0.7538	0.7602	0.8122	0.8356	0.8828

      由表3可以看出，當其他參數不變的情況下，直徑比β的變化對測量不確定度的影響是很大的，現場應用中，操作人員常根據氣量的變化來更換不同內徑的孔板來滿足使用要求，此時，直徑比成了影響準確度的主要可變因素。β與流量測量綜合不確定度的關系如圖1所示。結論為：不確定度基本隨著β增減而增減，當β小于0.6時，不確定度的變化很小。基本為一條直線；隨著β的增大，不確定度迅速增大，當β=0.75時，不確定度達到。

     （2）二次儀表的不確定度

      由于目前天然氣計量大多采用計算機智能化數據采集、數據處理A/D轉換準確度高，量化誤差的影響可以忽略，差壓、壓力、溫度的測量由于大量高精度智能化變送器的應用使二次儀表對整個流量系統的誤差成為了非主要影響因素。

      1）壓力儀表測量誤差：主要由壓力測量儀表的精確度引起（儀表準確度受溫度變化影響）。采用3051T型變送器在5.0MPa工作，溫度變化在30℃左右。

      溫度影響：±0.15%；

      最終精確度為：ζ=±0.225%（儀表校驗誤差為±0.075%）。

      2）差壓儀表測量誤差：主要由儀表精確度、儀表安裝位置、導壓管引起。采用3051CD型變送器在5.0MPa工作，溫度變化在30℃左右。

      溫度影響：±0.075%；

      靜壓力影響：±0.15%；

      安裝位置可通過零點調整予以消除。

      其最終精確度為：ζ=±0.30%（儀表校驗誤差為  0.075%）；

      導壓管引起誤差為：±0.2%；

      總體差壓誤差為：±0.36%。

      3）溫度儀表測量誤差：主要由儀表精確度和安裝位置正確性影響。

      溫度儀表精確度為：ζ=±0.5%。

      安裝位置的影響在標準規定范圍內忽略不計。

      （3）計量條件下天然氣流量測量的不確定度

      假定流量測量裝置為理想狀態，已知條件：天然氣外輸測量管D₂₀=205mm；d₂₀=103.76mm；p=4.50MPa；△P_max=54kPa；溫度計上限為50℃，準確度為0.2級，壓力、差壓變送器準確度為0.1級。據式（4）則有不確定度為：     

     

=±0．63%（流量時 Δp_max=54kPa）；     
              =±1.04%（最小流量時    ΔP_max=9kPa）；
              =±0.65%（常用流量時    Δp_max=30kPa）。

      二、控制誤差提高計量準確度的方法

      因為天然氣流量測量計算的不確定度是在其他影響因素都不存在附加誤差的情況下計算得到的，但是使用中由于各種原因會帶來一定的附加誤差，這是需要消除的。根據實際應用情況，提出以下控制方法及建議。

      1.孔板節流裝置必須符合標準

      孔板節流裝置在使用前的安裝中應按照標準安裝設計，根據孔板前阻力件形式配接足夠長度的直管段，一般應至少前30D，長慶氣田在開發初期部分集氣站因為設計原因流量計直管段長度為D后5D，造成天然氣計量輸差達到±5%～±8%，分析原因后經過技術改造，計量管段改為前30D后10D。使計量輸差降低到±1.5%。

      2．氣流中存在脈動流的改善措施

      天然氣從地層中采集后經節流、分離、凈化后一般能達到均勻單相的牛頓流體，在天然氣計量中由于各種原因使天然氣脈動，可以采取以下措施減小脈動流的影響。

      （1）在滿足計量能力的條件下，應選擇內徑較小的測量管，使△P、β在比較高的雷諾數下運行。

      （2）采用短引壓管線，盡量減少引壓管線系統中的阻力件，并使上下游管線長度相等，以減少系統中產生諧振和壓力脈動振幅的增加。

      （3）從管線中除去游離液體，管線中的積液引起的脈動可以采用自動清管系統或低處安裝分液器來處理。

      為使天然氣具有的計量性能，應將天然氣中的水分脫出。

      3．加強計量管理、建立健全各項規章制度

       嚴格貫徹執行SY/T6143-1996標準，確保裝置符合標準的技術要求。建立健全各項規章制度，如定期維護制度、周期送檢制度，加強對天然氣生產情況的監測，及時消除誤差。

       在孔板流量計日常使用過程中，要確保準確的計量，還應至少每月一次清洗檢測孔板、檢查儀表零點、儀表D/A從轉換通道、核對流量計算程序，對有坑蝕及劃痕的孔板應及時更換。長慶氣田根據氣質的凈化程度，規定集氣站每月清洗檢查一次孔板，貿易交接計量孔板每半月和用戶一起檢查清洗一次，同時還配備孔板綜合測試儀定期對孔板進行幾何尺寸檢定，使集氣站單井計量輸差能有效控制在±1.5%以內，貿易計量輸差在±1.0%以內。

       4．量值溯源是確保天然氣計量準確度的有效措施

      （1）當孔板節流裝置的一次裝置設計、制造、安裝、檢驗使用符合SY/T6143-1996標準中1～7章的全部技術要求時，即可達到幾何和流體力學相似，在此基礎上可以執行單參數溯源，節流裝置部分用長度標準進行幾何尺寸干檢，壓力、溫度、時間或氣樣分析用各自的標準器具或標準樣氣進行檢驗，并將標準器與國家基準建立溯源鏈。

      （2）對用于貿易計量的孔板流量計量裝置，建議流量計投入使用前或使用一段時間后，進行實流檢定或校準，以保證一次儀表的準確度。

      （3）天然氣組成分析應采用GB/T13610規定的方法進行，標準氣體應選擇經國家考核合格的、有合格證并標有不確定度的標準氣體，標氣準確度應不低于二級標準氣體（2.0%）。在條件許可的條件下，應開展天然氣在線組成分析和物性參數的在線測定。

      三、結束語

      客觀地講，在采用孔板流量計測量天然氣流量時，如果對孔板流量計的一次裝置（孔板節流裝置）和二次儀表（差壓、靜壓、溫度、天然氣物性參數計量器具等）配套儀表的選擇、設計、安裝、使用都嚴格按照有關標準進行，并在受控狀態下使用時，其流量測量準確度是可以控制在±1%～±1.5%范圍內的。

      參考文獻

      1 行業標準SY/T6143-1996：天然氣流量的標準孔板計量方法
      2 張永紅．天然氣流量計量．第二版，北京：石油工業出版社
      3 天然氣流量計量編寫組．天然氣流量計量．北京；石油工業出版社，2001
      4 雷勵，劉偉等．天然氣流量計量系統的核定和校準．天然氣工業，2002；22（4）