天然氣組分對流量計計量的影響

1 流量計工作原理

1.1 孔板流量計

孔板流量計計量系統主要由節流裝置、差壓變送器、壓力變送器和溫度變送器構成，通過(guò)測量在孔板上下游兩側形成的靜壓差，從而計算出天然氣的工況流量，并統一到標準參比條件下的體積量。

標準參比條件下的體積流量按下式計算：

    （1）

式中：

q_n—天然氣在標準參比條件下的體積流量，m3/s；

A_h—體積流量計量系數，取3.1794´10^-6；

C—流出系數，在一定的安裝條件下，對于給定的節流裝置，該值僅與雷諾數有關(guān)：

當孔板直徑D<71.12時(shí)，公式中還應增加項的值。其中：

β—為孔板開(kāi)孔直徑與上游測量管內徑之比，，Re—管徑雷諾數，

L₁—孔板上游斷面到上游取壓孔軸線(xiàn)的距離除以測量管內徑得出的商，L₁=l₁/D；L₂—孔板下游斷面到下游取壓孔軸線(xiàn)的距離除以測量管內徑得出的商，L₂=l₂/D；d—孔板開(kāi)孔直徑，d=d₂₀[1+Λ_d（t₁-t₂₀），其中d₂₀為孔板開(kāi)孔在20℃±2℃條件下的檢測直徑，mm；Λ_d為孔板材料的線(xiàn)膨脹系數，mm/mm.℃；t₁為天然氣流過(guò)節流裝置時(shí)實(shí)測的氣流溫度，℃；t₂₀為檢測時(shí)恒溫室溫度，℃。

E—漸近速度系數，

F_G—相對密度系數，，其中Gr為天然氣真實(shí)相對密度；

F_Z—天然氣壓縮性系數，

F_T—流動(dòng)溫度系數，是天然氣流經(jīng)節流裝置時(shí)，氣流的平均熱力學(xué)溫度T₁偏離標準參比條件熱力學(xué)溫度而導出的修正系數，，T₁=t₁+273.15；

ε—可膨脹性系數，用以修正天然氣通過(guò)孔板時(shí)因密度的變化而引起的流量變化，

其中P₁為孔板上游氣流的絕對靜壓；P₂為孔板下游氣流的絕對靜壓；k為等熵指數，c_p為甲烷的定壓比熱容，c_v為甲烷的定容比熱容；

p₁—孔板上游側取壓孔實(shí)測的絕對壓力，其值用絕對壓力表測量，kPa；

Δp—氣體流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的壓差，該壓力值由差壓變送器在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量，kPa。

1.2 超聲波流量計

超聲波流量計計量系統主要由流量計本體、信號處理單元、流量計算機、壓力變送器和溫度變送器構成，通過(guò)測量超聲波在管道天然氣流中順流和逆流的傳播時(shí)間，從而計算出天然氣的工況流量，并統一到標準參比條件下的體積量。

標準參比條件下的體積流量按下式計算：

    （2）

式中：q_n—標準參比條件下的體積流量，m³/s；

q_f—工作條件下的體積流量，m³/s；

P_f—工作條件下的絕對靜壓力，該壓力值由壓力變送器在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量，kPa；

T_f—工作條件下的氣體熱力學(xué)溫度，該溫度值由溫度變送器在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量，K；

Pn—標準參比條件下的絕對靜壓力，取值101.325kPa；

Tn—標準參比條件下的氣體熱力學(xué)溫度，取值293.15K。

1.3 渦輪流量計

渦輪流量計計量系統主要由流量計本體、前置放大單元、流量計算機、壓力變送器和溫度變送器構成，通過(guò)記錄旋轉速度與流量大小成正比的葉輪的旋轉圈數，從而計算出天然氣的工況流量，并統一到標準參比條件下的體積量。

標準參比條件下的體積流量按下式計算：

    （3）

式中：q_n—標準參比條件下的體積流量，m³/s；

f—輸出工作頻率，Hz；

K—系數，1/m³，根據檢定證書(shū)出具數據設置；

P_f—工作條件下的絕對靜壓力，通過(guò)絕壓儀表測量，kPa；

Pn—標準參比條件下的絕對靜壓力，其值為101.325kPa；

T_f—工作條件下的氣體絕對溫度，通過(guò)溫度儀表測量，K；

Tn—標準參比條件下的氣體熱力學(xué)溫度，293.15K。

2 氣體組分對各流量計計量影響分析

2.1 壓縮系數的計算公式

根據GB11062-98《天然氣發(fā)熱量、密度和相對密度的計算方法》中給出了標準狀態(tài)下的壓縮系數Zn的計算方法，其計算公式為：

     （4）

式中，y_i為i的摩爾分數；為天然氣i組分的求和因子。

工作狀態(tài)下的壓縮系數計算公式為

    （5）

式中：p為氣體壓力，MPa；T為氣體溫度，K；Δ為氣體的相對密度。

天然氣理想相對密度計算公式為

    （6）

式中：d₀為理想氣體的相對密度；Mi為組分i的摩爾質(zhì)量；Mair為標準組成的干空氣的摩爾質(zhì)量，取28.9626kg.kmol-1

天然氣真實(shí)相對密度計算公式

    （7）

式中，Z_air為標準組成的干空氣的壓縮因子。

2.2 條件假設

結合庫爾勒天然氣分輸站的實(shí)際情況，取孔板流量計的運行參數為：p₁=2.89MPa，Δp=3.55kPa，D=200mm，d=58mm，T=302.85K。

渦輪流量計的運行參數：Pn=0.101325MPa，Tn=293.15K，P_f=2.89MPa，T_f=298.15K，K=13043.56m³。

超聲波流量計的運行參數：Pn=0.101325MPa，Tn=293.15K，Pf=2.89MPa，Tf=298.15K.

2.3 理論分析各組分對壓縮因子影響

天然氣是由多種可燃和不可燃的氣體組成的混合氣體，以低分子飽和烴類(lèi)氣體為主，并含有少量非烴類(lèi)氣體。在烴類(lèi)氣體中，甲烷占絕大部分，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷含量不多；所含少量非烴類(lèi)氣體一般有二氧化碳、一氧化碳、氮氣、氫氣和硫化氫等。

為了便于分析，我們取一組天然氣作為基準（如表1），讓各組分分別增加1%，編寫(xiě)MATLAB程序，計算出相應的壓縮因子，畫(huà)出曲線(xiàn)并分析各組分對壓縮因子、相對密度及流量的影響。為了保證摩爾濃度的歸一性，由某組分變化引起的不平衡量，按摩爾濃度權重附加在其他組分上。各組分摩爾分數改變對流量計影響如圖1-8所示。

表1 天然氣組分

圖1 甲烷摩爾分數變化對計量影響

圖2 乙烷摩爾分數變化對計量影響

圖3 丙烷摩爾分數變化對計量影響

圖4 丁烷摩爾分數變化對計量影響

圖5 戊烷摩爾分數變化對計量影響

圖6 己烷摩爾分數變化對計量影響

圖7 二氧化碳摩爾分數變化對計量影響

圖8 氮氣摩爾分數變化對計量影響

2.4 結果分析

根據上面的計算結果，統計出在假設條件下，單組分測量不準確導致參與計算的氣體組分參數與實(shí)際組分含量偏差1%，引起的計量結果偏差見(jiàn)表2：

表2 各組分對孔板、超聲波和渦輪流量計量的影響量

從實(shí)驗結果中可以看出：天然氣中各組分測量的精確度對孔板流量計影響較大，對渦輪和超聲波流量計的影響相對較小，并且組分的摩爾質(zhì)量越大，其影響力越大。

我們通過(guò)假設來(lái)分析天然氣組分對流量計量的影響：如果天然氣流量為60000m³/h，甲烷摩爾濃度的誤差達1%，則孔板流量計計量的誤差為-210m³/h，年損失量將達到-200萬(wàn)方，超聲波和渦輪流量計計量誤差為54m³/h，年損失量將達到50萬(wàn)方。這只是分析了甲烷摩爾濃度的誤差為1%所造成的影響，在實(shí)際中，可能各組分分析都會(huì )存在一些誤差，造成的計量誤差將會(huì )更大。

3 結論

通過(guò)理論計算，分析了天然氣各組分的變化對孔板、超聲波和渦輪流量計計量的影響，得出精確計量的有效途徑：在不影響下游用戶(hù)安全用氣的前提下，加強天然氣組分分析精度，提高計量的準確度，同時(shí)，我們可以修復在線(xiàn)色譜分析儀對輸送的天然氣組分進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，分析并掌握組分含量對流量計量的影響，實(shí)現精準計量和效益最大化。