摘要:文章論述了智能孔板流量計(jì)在天然氣測(cè)量中的應(yīng)用情況,分析了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的原理及在石油天然氣鉆采工程領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn),闡述了新型一體化智能孔板流量計(jì)的特點(diǎn)及對(duì)未來(lái)發(fā)展前景的展望。
在20世紀(jì)初,孔板流量計(jì)應(yīng)用于天然氣流量測(cè)量,經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,它已成為全世界最主要的天然氣流量計(jì)[1]。近年來(lái),盡管出現(xiàn)了許多新型天然氣測(cè)量流量計(jì),如,超聲流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)等。但由于孔板流量計(jì)測(cè)量技術(shù)歷史悠久、應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)及價(jià)格低等特點(diǎn),且標(biāo)準(zhǔn)型孔板流量計(jì)可以無(wú)須校準(zhǔn)而確定信號(hào)(差壓)與流量的關(guān)系,并估算其測(cè)量誤差等特點(diǎn),在流量計(jì)中是惟一的。正是由于上述原因,在今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi),由于種種因素的制約,特別是標(biāo)定不能獲得妥善解決之前,孔板流量計(jì)仍是天然氣計(jì)量的主要儀表。
1 孔板流量計(jì)的測(cè)量原理
孔板流量計(jì)是根據(jù)安裝在管道中孔板產(chǎn)生的差壓、已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來(lái)測(cè)量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。如圖1,當(dāng)流體流經(jīng)設(shè)置在管道中的節(jié)流件(孔板)時(shí),流束將在節(jié)流件處形成局部收縮。此時(shí)流速增大,靜差壓降低,在孔板前后產(chǎn)生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據(jù)差壓來(lái)衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以流動(dòng)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ),流量為[2]。
qm= C(1-β 4)- 1/2επ/[4d2(2Δpρ1)1/2],
式中,qm為質(zhì)量流量,kg/s;C為流出系數(shù)m3/s;ε為可膨脹形系數(shù);β為直徑比,β= d/ D; d為工作條件下節(jié)流件孔徑,m;D為工作條件下上游管道內(nèi)徑,m;Δp為差壓,Pa,Δp= p1- p2;ρ1為上游流體密度,kg/m3。
2 新型孔板流量計(jì)的特點(diǎn)
由孔板流量計(jì)的測(cè)量原理可知,流量與差壓為平方根關(guān)系,如果壓差降低到原差壓的1/9,則流量將減小到原流量的1/3,這樣,對(duì)于一個(gè)差壓上限固定的差壓變送器來(lái)說(shuō),其測(cè)量精度是下降了,這就是傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的量程比最大為4∶1的原因。在石油天然氣鉆采工程領(lǐng)域,天然氣的流量,物性參數(shù)等會(huì)隨年份不同,工況條件不同有很大差異,采用傳統(tǒng)孔板流量計(jì)測(cè)量存在測(cè)量范圍窄,測(cè)量精度低,需在工況變化時(shí),更換不同的孔板元件等缺點(diǎn)。近年來(lái),隨著微電子技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),新材料,新工藝的迅速發(fā)展,差壓變送器和流量計(jì)已大大提高其性能及可靠性,儀表廠家相繼開發(fā)了一些寬幅一體化智能孔板流量計(jì),對(duì)原有的孔板流量計(jì)做了很大改進(jìn)。
a) 流量測(cè)量范圍擴(kuò)展方式改進(jìn) 在石油天然氣測(cè)量中,對(duì)流量變化大的場(chǎng)合,傳統(tǒng)做法是同時(shí)配備多塊β值不同的孔板或并列幾臺(tái)流量計(jì)。新型智能孔板流量計(jì),如,日本SONIC公司開發(fā)的孔板流量計(jì),其流量比的范圍可在流量計(jì)算機(jī)上進(jìn)行選擇。流量計(jì)算機(jī)上除設(shè)有正常流量比外,還設(shè)有2個(gè)擴(kuò)展功能(如圖2),一是為了計(jì)量小流量,可將計(jì)量范圍擴(kuò)大到最大可測(cè)流量的1/40,這種功能是在流量計(jì)算機(jī)上采用擴(kuò)展差壓分解功能系統(tǒng),不用更換孔板和差壓變送器就可完成;另一個(gè)擴(kuò)展功能就是大流量側(cè)計(jì)量范圍的擴(kuò)張,這是將差壓擴(kuò)大,從而使大流量側(cè)的計(jì)量范圍加以擴(kuò)大的一種系統(tǒng)。另外還有超寬幅范圍方式,量程比最大可達(dá)1∶180,采用2臺(tái)差壓變送器,各自負(fù)擔(dān)著小流量范圍和大流量范圍的測(cè)量,各自獨(dú)立發(fā)信號(hào),流量計(jì)算機(jī)則把這些信號(hào)分成不同領(lǐng)域進(jìn)行變換選擇,并在各領(lǐng)域進(jìn)行演算,從而使超寬幅范圍在測(cè)量上也能保證較高的精度。雖然多投入了1臺(tái)差壓變送器,但是與并列2臺(tái)流量計(jì)的設(shè)備費(fèi)用相比,既提高了經(jīng)濟(jì)效益,又節(jié)省了來(lái)回切換的麻煩;與采用多塊孔板的方法相比,避免了孔板更換,降低了生產(chǎn)操作難度。
b) 孔板元件與二次儀表(差壓變送器及流量積算儀)一體化 傳統(tǒng)孔板流量計(jì)在應(yīng)用中,孔板與二次儀表分開,把差壓信號(hào)送到中控進(jìn)行流量計(jì)算,在流量變化較大的場(chǎng)合,還需配備多塊孔板,一體化流量計(jì)完全解決了這一不便,使孔板和二次儀表成為一體,省去了引壓管線,減少了故障率,改善了動(dòng)態(tài)特性,方便了安裝使用[2],且體積小,節(jié)約成本,無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)更換孔板,只需設(shè)定量程比即可,操作方便,受到用戶的歡迎。
c) 自動(dòng)溫壓補(bǔ)償功能 孔板流量計(jì)的總精度為± 0.8%～ 5.0%[3],對(duì)孔板流量計(jì)來(lái)說(shuō),密度是影響流量計(jì)特性的最主要參數(shù),而密度又是溫度、壓力的函數(shù),現(xiàn)場(chǎng)壓力溫度波動(dòng)是不可避免的,由此引起的物性參數(shù)的變動(dòng)是使用時(shí)產(chǎn)生附加誤差的主要原因之一,在高精度測(cè)量時(shí)應(yīng)特別注意。由于天然氣是可壓縮流體,受溫度、壓力的影響較大,為了保證精確度,常常采用溫壓補(bǔ)償。新型孔板流量計(jì)可將壓力和溫度信號(hào)直接送入現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)算機(jī),對(duì)流量進(jìn)行壓力和溫度變化時(shí)的自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算,并將精確的流量值送到中控。但須注意的是,零誤差的儀表是沒有的,若補(bǔ)償方法不當(dāng),有累積這些儀表誤差的可能,增加了故障因素,所以,進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)須慎重考慮。另外,在某些場(chǎng)合,當(dāng)流體組分發(fā)生變化時(shí),就不能采用壓力、溫度補(bǔ)償,而應(yīng)采用密度補(bǔ)償[2]。
3 發(fā)展前景
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,與傳統(tǒng)孔板流量計(jì)相比,當(dāng)今智能孔板流量計(jì)發(fā)展趨勢(shì)是一體化、高精度、寬量比的新型流量計(jì),并擁有補(bǔ)償功能完善的流量計(jì)算機(jī),具有強(qiáng)大的功能軟件,同時(shí)設(shè)有RS485標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)通信接口,可與DCS連接通信,對(duì)維護(hù)檢修提供了方便,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中方便實(shí)用。同時(shí),由于新穎的差壓變送器可同時(shí)測(cè)量差壓、靜壓和溫度,并經(jīng)計(jì)算單元作氣體壓力、溫度修正或測(cè)氣體質(zhì)量流量,減少了獨(dú)立的傳感器數(shù)量,簡(jiǎn)化管線工程,降低安裝費(fèi)用;減少管線開孔,降低潛在泄露點(diǎn)[4],提高整體可靠性,這些都為智能孔板流量計(jì)更好地應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)保證。
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