流動調(diào)整技術在天然氣計量中應用

摘 要:本文針對流動調(diào)整技術在天然氣計量中應用相關問題進行分析，主要針對天然氣流量計量站設計中的輸氣管道阻流件進行分析探討，針對不同壓力、不同流速下將產(chǎn)生的流動形態(tài)極性分析，根據(jù)上述現(xiàn)象研究開發(fā)流體整流設備。最后，根據(jù)阻流件的計流量原理來測量天然氣的流量，對于今后天然氣計量具有一定作用。

關鍵詞:天然氣計量流態(tài)分析整流技術

中圖分類號:文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0052-02

1 引言

我國現(xiàn)有用于天然氣貿(mào)易交接的計量站兩百多個，其中包括天然氣管線的計量分輸站，各省、市的城市門站以及供給各類用戶的計量站等。這些計量站的計量儀表設計中，大量地采用了超聲波流量計、渦輪流量計、孔板流量計和渦街流量計等。而這類儀表的計量準確度都較大程度地與被測介質(zhì)的流形流態(tài)有關。尤其是超聲波流量計，不僅受流體的流形流態(tài)的影響，還會因傳播到超聲波探頭的噪聲干擾而使精度明顯降低。過去，依據(jù)相關標準，采用了加前、后直管段的方法來改善安裝條件，取得了一些效果，少數(shù)現(xiàn)場在前直管段之前還加裝了性能較好的流體整流器，但由于種種原因，仍沒有根本解決問題。例如，某省天然氣管網(wǎng)的城市門站，超聲波流量計上游安裝10D直管段和一臺板式多孔整流器，買賣雙方因輸氣量計量不準多次查找原因，后來發(fā)現(xiàn)是由于安裝時將整流器偏向一側(cè)，造成氣體介質(zhì)流形不對稱，從而導致儀表計量信號嚴重失真;將現(xiàn)場管線拆卸開來，用專用工具重新進行對中、安裝，使流形達到對稱，才滿足了流量計的使用條件要求。

天然氣計量數(shù)據(jù)是財務結(jié)算的憑證，所以計量準確度直接影響到買賣雙方的經(jīng)濟利益。如何保證它的科學、公正和公平呢?本文認為，天然氣的計量是一系統(tǒng)問題，不是簡單的安裝一塊流量計量表的問題。依據(jù)JJGl059—1999《測量不確定度評定與表示》，天然氣計量應解決好兩個問題:第一，是天然氣流量測量系統(tǒng)的儀表選型，包括流量計量表、壓力變送器、溫度變送器和組份分析儀等，依據(jù)GB／T18604的要求，這些設備可以通過建立數(shù)學模型來評定;第二，是安裝條件要求，因為每種不同原理的儀表各有其獨特性能，安裝在管線上的動力設備、過濾設備、匯管等對近處的計量儀表都會產(chǎn)生影響。例如，管道的設計安裝和運行過程中，采用壓縮機增壓，匯管、彎頭、三通等阻流件分流，未全開閥門調(diào)壓等。因此對管道內(nèi)輸送的流體介質(zhì)的流形和流態(tài)將產(chǎn)生嚴重擾動，主要表現(xiàn)在產(chǎn)生不對稱流、橫向流、旋渦流等等。它們都會隨機地影響測量不確定度。本文從理論上對流形和流態(tài)的產(chǎn)生進行分析，并進而給出一種解決的技術和方案。

2 國際天然氣計量發(fā)展動態(tài)

世界上天然氣工業(yè)比較發(fā)達的北美洲、歐洲和亞洲，以及我國周邊的俄國、印度等國家，近年來建設了大量的高壓、大口徑的天然氣管網(wǎng)，銷售量每年約幾萬億立方米。由于天然氣價格的飛速上漲，人們更加認識到計量準確度的重要性。在天然氣計量中最為困難的問題，就是在測量過程中，由于設計和安裝天然氣計量系統(tǒng)時造成的不對稱流、旋渦流對計量準確度的影響。國際法制計量組織(OIML)為了推動天然氣管道的擾動研究，定義了兩種擾動件:在DNl50的管道中，兩個不在同一平面的900彎頭，在兩個彎頭的前面配制一個由DNl50擴徑到DN200的擴徑管，就稱其為低級擾動件;如果在兩個彎頭之間再加上一個半月牙平滑板，就定義為高級擾動件。

美國西南研究院(SWRI)和天然氣研究院(GRI)，利用高壓、大口徑、環(huán)道計量研究裝置(MRF HPL)，對孔板流量計(p值從0.4、0.6、0.67到0.75)、超聲波流量計和渦輪流量計，在不同的壓力下(常壓下的空氣、10kg／cm2、16kg/cm2、25kg/cm2、40kg／cm2和52kg／cm2的天然氣)，配置不同長度的前后直管段(分別為17D、29D、45D或75D、100D)，配置不同型式的整流器(19管束式整流器、Stuart C-3管束整流器、NOVA-#50E板式整流器和Gallagher#21板帶1／2D長度19管束組合式整流器)以及開度50％的閥門等多種工況下，對流量計計量準確度的影響偏差的測試。做了大量的實驗，匯總并累計了多組數(shù)據(jù)曲線，為修改AGA3#報告和AGA9#報告提供了有力的理論基礎和實驗數(shù)據(jù)。

在歐洲，利用德國Pigsa的天然氣實流檢定裝置和德國國家物理研究院(PTB)研制的多普勒流形測試儀，德國國家物理研究院(PTB)組織在供氣站現(xiàn)場，按照OIML的建議，進行了流形、流態(tài)測試試驗和對流量計計量準確度的影響試驗。動態(tài)測量天然氣管道中，彎頭、擴徑管和不開滿的閥門對流形破壞的影響情況，利用計算機三維成像技術，繪制出管線內(nèi)部的真實流形、流態(tài)。實流測試在低壓和高壓狀態(tài)下，對各種流量計計量準確度的影響，為配置前后直管段的長度和選擇整流器的型式提供了理論依據(jù)。

各國的計量專家在商業(yè)上是相互競爭的對手，在技術上又是相互合作的伙伴。德國PTB在主任多普哈根教授的倡導下，組織了多國天然氣的量值傳遞比對，并提出了“天然氣一標準立方米”的新理念。作為天然氣貿(mào)易計量的標準量值，互為確認，本文認為中國的天然氣計量專家應該與時俱進，向國際并軌。

3 天然氣貿(mào)易中流態(tài)對于計量準確度影響

天然氣貿(mào)易交接計量站，是油氣田的生產(chǎn)公司向天然氣管道公司輸送和交接天然氣的重要站場。天然氣管道公司將天然氣輸送到各分輸支線、各城市門站、大型的燃氣發(fā)電廠、鋁廠、化工廠等，也需要向這些各支線運銷商交接天然氣而建立計量站。計量站的交接數(shù)據(jù)用于財務結(jié)算，它的計量準確度直接影響各自的經(jīng)濟效益。計量站一般地都是設計在調(diào)壓橇前面(也有的設計在調(diào)壓橇后面;甚至沒有匯管，把流量計直接串接在不開滿的調(diào)節(jié)閥前、后的。我們認為這并不優(yōu)化，會存在許多問題)，工藝上一般是設計在過、濾/分離器上出口。例如一個輸氣量每年5億標準立方米的站，其運行壓力在6～7MPa、溫度為16℃，這樣的站供氣管線選為DN250，一般流速控制在10m/s～15m/s。進入計量橇，典型的工藝設計是經(jīng)過匯管(口徑約為DN700)，再分成二條DN200的支線，最大流速一般不超過25m/s;每條支線上安裝閥門、流量汁、前后直管段、整流器、壓力和溫度變送器、在線分析小屋和在線標定進出口等設備，最后經(jīng)匯管外輸紿F游用戶。從管線工藝設計來分析，這種管線情況遠要比國際法制計量組織(OIML)建議的低級和高級擾動件復雜得多。為開展天然氣管道擾動研究，德國國家物理研究院(PTB)制造了一套移動式激光多普勒測速儀(LDV)，設計壓力為Class600#(約10MPa)。

這里天然氣管道運行壓力為4.2MPa，入口配置是如OIML建議的雙彎頭，其雷諾數(shù)Re大約是在6×105-4×106。在測得大量的高壓大然氣擾動分析數(shù)據(jù)和常壓空氣管道擾動分析數(shù)據(jù)的基礎上，再與CFD(Computational Fluid Dynamics)計算流體動力學語言相互結(jié)合起來。比照理論公式計算的結(jié)果，綜合在統(tǒng)一坐標系上進行比對，給人們一個清楚的認識。

(1)軸向動量數(shù)Ku

在一個5D長度的直管段上配置兩個不在同一面上的雙彎頭(彎頭半徑為1.5D)，經(jīng)擴徑后，在5D長的直管段上測最軸向勘壤，發(fā)現(xiàn)流體到管壁最近的位置，其管道流體動量最大，以此動量高度表示平滑的軸向速度流形。當流體充分發(fā)展后，管道流體有一個定量的軸向動量Kuo，經(jīng)測試和計算Kuo=0.62。實際t我們感興趣的是擾動流和非擾動流之間的差值，。

(2)旋渦量Kw

測試情況與上圖相同，其旋渦量就是管道流體受到彎頭的影響，流體向右旋轉(zhuǎn)或者向左旋轉(zhuǎn)，在管道內(nèi)形成的旋渦流在這里我們定義向右邊旋轉(zhuǎn)為正，向左邊旋轉(zhuǎn)為負。這次實驗，由于彎頭的方向決定了是向左旋轉(zhuǎn)，旋渦量是負的。

4 天然氣管流態(tài)整流技術分析

為了開展天然氣管道中的彎頭．不開滿閥門對管道流的擾動，如何使用直管段和整流器克服小對稱流、旋渦流、脈助流的擾動影響等研究，我們通過建立一套定性的實驗裝置來進行研究。這套實驗裝設的主要設備是，利用鼓風機產(chǎn)生氣源(氣體介質(zhì)是空氣)，經(jīng)氣體濾波器過濾后再經(jīng)管線引出，用調(diào)壓器調(diào)整風機轉(zhuǎn)速來改變氣體介質(zhì)在管道流動的雷諾數(shù)，然后流經(jīng)兩個(或以上)90°彎頭，形成擾動流。當擾動流經(jīng)過透明管時，可以觀察到細絨線劇烈扭擺，其扭擺的方問和幅度跟彎頭的安裝形式和數(shù)量有關，當透明管管前面安裝整流器后．細絨線在管內(nèi)平穩(wěn)地沿風向伸展，無扭擺現(xiàn)象．因此可判定整流器消除了整流器上游的旋渦或橫向氣流等，將紊流調(diào)整成為平穩(wěn)、均衡的氣流，達到理想的整流效果。

我們開展下面的實驗:

(1)實驗時阻流件采用在同一平向內(nèi)兩個90°彎頭呈“S”型配置，其間距S=Di，彎頭出口加一段3Di直管段。

(2)實驗時阻流件采用兩個不在同一平面的兩個90°彎頭，s=Di，彎頭出口加一段3Di直管段。

通過實驗比較發(fā)現(xiàn)，流體整流器起到消除測量管前面阻流件對流態(tài)的干擾，使得流形充分發(fā)展，成為無擾動流，從而保證了流量計的計量準確性。

5 結(jié)語

各種不同原理的流量計，其計量準確度受到不對稱流、旋渦流和脈動流的影響也是不同的;設計工程師應該依據(jù)相關標準，例如超聲流量計應遵循AGA9#報告，渦輪流量計應遵循ENl2261標準，孔板等差壓式流域計應遵循AGA3#報告和GB／T6143國家標準，配置相應的直管段和不同型號的整流器。為方便工程師設計．建議如下:

(1)智能多聲道超聲波流量計。應配置前20D直管段，后5D的直管段，且直管段內(nèi)壁與流量計內(nèi)徑同心同圓，內(nèi)壁光潔度應達到Ra3.2。在前直管段IOD處插入夾裝式厚板多孔整流器，最好是消噪聲或降噪聲型式的，才能保證流量計量準確度優(yōu)于0.5％。

(2)渦輪流量計。渦輪流最計是一種由管道流驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動獲得被測截面流速的機械儀表，應用中影響其測量準確度的問題是脈動流和旋渦流，按照歐洲標準應安裝三層板式14孔整流器，其位置在整流器出口和渦輪流量計入口處歪少保證4D的距離;如果在流量計前有沒開滿的閥門，應該將直管段增加到18D，在5D前加19管泵式整流器。

(3)孔板差差式流量計。孔板差壓式流量汁已具有200多年的應用經(jīng)驗，對流量計前的阻流件的結(jié)構(gòu)如單個彎頭、兩個不在同一一平面上彎頭、單個三通或者其它形式的管件和管路分布，依據(jù)不同的β值規(guī)定了前、后直管段的長度和19管束式整流器的安裝位置，設計師直接查閱GB／T6164即可明了。

參考文獻

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