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          科里奥利质量流量计在乙烷气体贸易交接中的应用研究

          发布日期:2020-11-24 09:56:05  来源:  作者:  浏览次数:
          【导读】:本文分析了压缩因子计算的准确度对气体体积测量准确度的影响程度,最终推荐采用质量流量计进行乙烷气体交接计量;同时结合质量流量计的工作原理和现场实际使用过程中的经验,对质量流量计的检定、安装和使用等环节提出合理化建议......

           摘要:为了提高天然气附加值,各油气田纷纷采用深冷方式从天然气中分离出乙烷气体作为产品销售。但乙烷气体的组分、密度与常规的天然气存在较大差异,致使贸易交接计量没有可参照的国家及行业标准。为了提高乙烷气体计量的准确度,应选择正确的测量方法,通过比较常用气体流量计的测量原理,分析了压缩因子计算的准确度对气体体积测量准确度的影响程度,非常终推荐采用质量流量计进行乙烷气体交接计量;同时结合质量流量计的工作原理和现场实际使用过程中的经验,对质量流量计的检定、安装和使用等环节提出合理化建议,以便为更多天然气附加产品的交接计量提供技术支撑。

           
          乙烷与液化气、稳定轻烃和稳定凝析油等原料相比,具有更高的乙烯转换率,是优质的乙烯原料。近年来各油田公司通过对油气田产出的天然气进行增压深冷将乙烷气体分离后输送到炼化企业,作为乙烯生产的原料,提高天然气的附加价值。作为交接产品的管输乙烷气体其组分、密度与管输天然气存在较大差异。目前天然气交接计量过程中执行国家及行业标准不适用于乙烷气体,需要探讨适合乙烷气体交接计量的测量方法,以确保乙烷气体交接计量数据准确、公平、公正。 
           
          1 常用天然气标准体积计算方法
          目前国际上天然气贸易交接普遍采用超声涡轮旋进旋涡孔板等计量仪表。其中超声、涡 轮、旋进旋涡等计量仪表直接测量均为气体的工况体积量,然后通过气体方程公式 (1) 对工况体积量Vg进行补偿计算,非常终换算为标准状态下体积量Vn进行交接[1]。
          标准状态下体积量 Vn
          式中:Vn为标准状态下的体积,Nm3;pn为标准大气压力,0.101 325 Pa;Tn 为标准状态下的绝对温度 (293.15),K;Zn为标准状态下的压缩因子;Vg为工作状态下的体积,m3;pg为工作状态下的绝对压力,Pa;Tg 为工作状态下的绝对温度 (273.15+ t),K;t为被测介质摄氏温度,℃;Zg为工作状态下的压缩因子。
           
          GB/T 21446—2008[2]《用标准孔板测量天然气》中测量天然气的质量流量 qm 计算方法如公式 (2)和公式 (3) 所示:
          天然气的质量流量 qm
          式中: qm 为天然气的质量流量,kg;C 为流出系数,与节流装置的几何尺寸和雷诺数相关;β 为直径比,孔板开孔直径与上游测量管内径之比;ε为可膨胀系数,对于给定的计量装置该值取决于流体静压、孔板前后差压和等熵指数;d为孔板开孔直径,m;Δp为孔板前后断面差压,Pa,可以采用差压变送器准确测量;ρ1为介质工作状态下的密度,kg/m3。由公式 (3) 计算得出:
          为介质工作状态下的密度计算公式
          式中:M为干空气的摩尔质量,值为28.962 6 kg/kmol;G为天然气真实相对密度;R为通用气体常数,值为0.008 314 51 MPa·m3/(kmol·K);Za为干空气在标准参比条件下的压缩因子,值为0.999 63。 
           
          式 (1)(2)(3) 中 pn、Tn、M、Za、R、C、d、β等参数为标准大气压、绝对温度、通用气体常数等常数或与流量计尺寸相关的常量,取值确定,不影响计量值的准确度。而Vg、pg、Tg、Zn、Zg 等为变量,其 测 量 的 准 确 度 直 接 影 响 计 量 值 的 准 确 度 。GB18603《天然气计量系统技术要求》 附录 A对以上 变 量 的 准 确 度 提 出 明 确 的 要 求[3], 具 体 要 求见表1。
           天然气交接计量系统相关测量参数准确度要求
          注:当使用超声流量计并计划开展使用中检验时,温度测量不确定度应该优于0.3 ℃。
          表中温度、压力、工作条件下的体积流量均为直接测量参数,并且可以通过选用高精度的测量仪表降低测量误差。而气体的压缩因子是一个非直接测量量,其大小与气体的组分、高位发热量、相对密度、压力和温度等状态参数相关。 
           
          2 压缩因子对气体标准体积计算的影响
          目前国际上推荐采用 AGA8-92DC 和 SGERG-88 方程计算工作状态下天然气压缩因子。我国起草发布 《天然气压缩因子的计算》 GB/T 17747—2011 也采用以上两种不同方法计算天然气压缩因子。国际上多数流量计生产厂家在流量计算机中置入以上两种压缩因子计算软件。但是两种压缩因子计算方法对管输天然气的组成范围有所限制,当天然气中乙烷含量超出 20% 后,计算的压缩因子不确定度≥0.5%。通常管输乙烷气体中乙烷含量≥95%,远远超出 AGA8-92DC 和 SGERG-88 方程的适用范围。压缩因子计算的不确定度难以估算,直接影响交接计量量的不确定度[4-6]。
           
          3 质量流量计工作原理
          由于乙烷气体压缩因子计算的不确定度难以估计,因此在流量计选型过程中应该避开压缩因子计算过程,建议选择科里奥利质量流量计计量乙烷气体。
           
          科里奥利质量流量计 (简称科氏力流量计) 是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。流量计由振动管、电磁驱动器和检测器组成。振动管 (测量管道) 是敏感器件,有 U 形、Ω 形、环形、直管形及螺旋形等几种形状,振动管有单管、双管和多管等形式,但基本原理相同[7]。 U形管式科氏力流量计的测量原理如图1所示。 U 形管的两个开口端固定,流体由此流入和流出。 U形管顶端装有电磁驱动器,用于驱动U形管沿垂直于U形管所在平面的方向以O-O为轴按固有频率振动。U形管的振动迫使管中流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动,此时流体将受到科氏力的作用,同时流体以反作用力作用于U形管。流体在U形管两侧的流动方向相反,所以作用于U形管两侧的科氏力大小相等方向相反,从而使U形管受到一个力矩的作用,使得振动管绕 R-R 轴产生扭转变形,该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。检测器测得这个变形量,即可测得管内介质的质量流量。
           科里奥利质量流量计的测量原理示意图
          科里奥利流量计可以将被检测的流体质量流量直接体现出来,质量作为物质本身的属性其大小不随温度、压力等参数改变而改变,计量数据可直接用于供需双方交接计量。此外可以准确测量气体组分,采用 GB/T 11062—2014 《天然气 发热量、密 度、相对密度和沃泊指数的计算方法》准确计算乙烷气体标准状况下的密度,进而得到气体标准状况下的体积流量,甚至热值流量。 
           
          4 存在的问题及建议
          4.1 检定问题
          由于气体实流检定成本高,送检周期长,因此质量流量计的用户通常选择采用液体 (水) 对流量计进行检定/校准。针对液体检定的数据是否能够真实反映气体介质运行工况下的计量性能,在设备投用前分别采用水和天然气两种介质对相同型号的2台流量计进行了检定。试验数据如表2所示。由表2可知: 
          (1) 同一台质量流量计用于液体计量的准确度要高于气体计量的准确度。其主要原因是气体的密度要远低于液体密度,因此计量气体时,瞬时流量通常低于流量计非常大量程的 1/3,超出计量仪表的非常佳运行范围。 
          (2) 循环水标定的数据如不超出流量计的准确度等级的要求,气体校准的数据也能保持在测量气体规定的准确度等级范围内。建议计量乙烷气体的质量流量计在不具备实流检定条件的情况下,可采用循环水进行检定/校准,但检定和校准的流量点应接近实际运行工况下的质量流量,并按照液体计量准确度等级的要求进行评价[8]。 
          不同计量介质的流量计检定数据
          4.2 消除安装应力
          由于管道伸缩变形会造成应力,使得传感器零点发生变化,影响测量准确度。因此质量流量计在安装过程应注意以下几点: 
          (1) 传感器的安装位置避开由于温度变化可能引起伸缩和变形较大的工艺管段。 
          (2) 传感器安装法兰必须与管道法兰同轴连接以减小安装应力,保证测量准确度。 
          (3) 应保证与传感器上游、下游链接的管道有稳固支撑物,支撑杆应以传感器为中心对称分布,支撑杆与基础牢固连接。传感器安装位置附近管道线上的阀门或泵都需要有其自己的支撑物,不与传感器共用同一支撑物。 
          (4) 为消除安装应力,安装传感器时应先配管,将工艺管线、阀门与传感器整体预先安装好并吊装,再将其与工艺主管线焊接,焊接时应使传感器、阀门及工艺主管线处于同一铅垂面内[9]。 
           
          4.3 压力补偿
          压力影响定义为过程压力偏离检定/校准压力而引起的传感器灵敏度的变化[10]。流体过程压力增大会使测量振动管呈绷紧现象,这种压力效应虽然影响量很小,但是当使用时过程压力与标定压力相差很大时,对于高精度质量流量计准确度的影响还是不容忽视的,尤其是对于管径大、测量管壁厚小的质量流量计影响更大。
           
          日常工作中的压力补偿方法有流量系数标定法、静态压力补偿法和动态压力补偿法。具体方法可以根据现场的运行工作,参照厂家的说明书进行补偿。对于运行压力相对稳定的计量工艺,可采用静态压力补偿法。根据厂家提供的流量计产品样本,可以查阅到需要进行静态压力补偿的流量计型号,并且分别找出压力对流量和密度影响的系数,然后用 HART 手抄器或 ProLinkII 2.0 软件写入流量计。 
           
          4.4 避免杂质聚集
          测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精度,对于计量介质为气体的质量流量计应采用外壳朝上水平安装、倾斜 45 °或垂直安装传感器 3种方式,如图 2 所示,避免冷凝液聚积在传感器振动管内。
          质量流量计用气体计量的安装示意图
          图2 质量流量计用气体计量的安装示意图
          Fig.2 Installation diagram of gas metering in the mass flowmeter
           
          4.5 避免天然气水合物
          在一定压力、温度下,天然气中的某些成分与水生成一种外形像冰的笼形化合物。气体压力的波动、流速突变产生搅动会加速水合物的形成,气体的相对密度越大生成水合物的温度范围越宽。科里奥利质量流量计振动管内径细小,在管路中属于节流元件,对气流有一定的扰动,乙烷气体相对密度较天然气大,在计量装置前后很容易形成水合物阻塞管路。因此在设计过程中应尽可能减少计量线路中阻流件的设置,必要时需要对流量计进行保温,避开水合物形成的温度及压力范围[11-16]。
           
          5 结束语
          乙烷交接计量目前尚无可以遵循的国家或行业标准,SYT 6659—2016《用科里奥利质量流量计测量天然气流量》标准中规定适用的天然气相对密度范围为 0.554~0.870,商品乙烷气体的相对密度超出了该范围,被排除在标准的适用范围外。但是该标准在质量转换体积量的计算方法并不涉及压缩因子的计算,从理论上讲对气体的真实相对密度不应该有所限制。如果将该标准气体的适用范围扩大,乙烷交接计量就有据可循了。
           
          乙烷气体交接计量的测量方法不应仅局限于质量流量计的测量方法,可以进一步探索乙烷气体压缩因子计算方法,对 GB/T 17747 适用范围进行补充,从而为乙烷气体交接计量器具选择的多样性提供技术支撑。

           

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