孔板流量計在普光氣田的應用與誤差分析

李海 李靜 李亮 鄭璐璐 王正平(中原油田普光分公司采氣廠 四川 達州 636156)

天然氣是一種高效、清潔的優質燃料。天然氣流量計量是企業生產和經營管理中的一項重要的技術基礎工作。它的準確計量不但能公平地進行貿易結算，而且能指導改進生產工藝，提高產品質量，降低產品生產成本，提高經濟效益和社會效益。作為川氣東送氣源地的普光氣田在天然氣外輸計量中選用的流量計量儀表是由艾默生生產的FLOBOSS 103流量計配套高級孔板閥使用。

一、孔板流量計的計量原理及特征

1.孔板流量計的計量原理

孔板流量計是基于流體流動的節流原理，以能量守衡和流動連續性方程為基礎，利用流體流經節流元件時在其前后產生壓差，而此差壓值與流量平方成的正比關系來計算流量的。

（1）差壓法測氣原理

具有一定壓力、充滿管道的天然氣在流經管道內的節流裝置時，流束將在節流件處形成局部收縮，從而流速增大，靜壓降低。在節流裝置前后便產生了壓差，流量越大則產生的壓差也越大，這樣通過測量壓差的大小就可以間接地知道流量的大小，這就是差壓法測流量的原理。

（2）流束局部收縮和壓差的產生

在孔板前，連續流動著的流體將遇到孔板的阻擋。在管壁處的流體由于受孔板阻擋，阻力最大，使流體速度降低，部分動能轉變成靜壓能，其結果使孔板入口端面接近管壁處的流體靜壓力升高。而管道中心流速最大，靜壓最低，使其在同一端面形成徑向壓力差，其結果將使流體質點在這一徑向壓差作用下產生一徑向加速度。在這一徑向速度作用下，靠近管壁處的流體質點以偏轉一個角度向孔口流動，形成了流束的局部收縮。

由于流體運動的慣性，流經節流裝置后流體將繼續保持原來的流動方向，在孔板出口端面形成一最小收縮截面，此處流束截面最小，流速達最大，壓力最低。此后，流束又逐漸擴大，壓力逐漸恢復升高，直到流體充滿整個管道，壓力恢復到最大值。但孔板后的壓力并沒有恢復到原來的數值，兩者壓力之差，即為流體流經節流裝置后所產生的壓力損失。此壓力損失主要是由流體流經節流裝置后流束突然擴大所產生渦流呆滯現象所造成的。

對于天然氣而言，在標準狀態下天然氣流量的實用計算公式為：

式中：qn——標準狀態下天然氣體積流量，單位為立方米每秒（m3/s）；As——秒計量系數，視采用計量單位而定，此式As=311794×10-6；C——流出系數；E——漸近速度系數；D——工況下孔板開孔直徑，單位為毫米（mm）；FG——相對密度系數；ε——可膨脹系數；FZ——超壓縮因子；FT——流動溫度系數；p1——孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓，單位為兆帕（MPa）；Δp——氣流流經孔板時產生的差壓，單位為兆帕（MPa）。

2.孔板流量計的結構及特征

孔板流量計是應用最為廣泛、最為普遍的壓差式流量計。孔板流量計由三部分組成，即將被測流體的流量變換成差壓信號的節流裝置。其中包括節流件孔板和取壓裝置；傳輸差壓信號的管路；測量差壓值的差壓變送器及顯示儀表。

孔板流量計按照是否可以帶壓更換孔板，分為一體式孔板流量計和高級孔板流量計（高級孔板閥）。優點：原理簡明，結構簡單，應用技術成熟，容易掌握；適應性強，可實現在線更換、清洗、檢查孔板；性能穩定可靠，使用壽命長；孔板為標準節流件，不需要標定。 缺點：量程比小，一般為3:1～5:1；壓力損失較大；受影響因素較多，不確定度大；對前后直管段要求高。

二、普光氣田所使用的孔板流量計

由于普光氣田介質的特殊性，硫化氫含量15.16%，二氧化碳含量8.64%，流量計量儀表采用的是高級孔板流量計，由高級孔板閥、FLOBOSS103流量計算機及過程連接件組成。

1.高級孔板閥

普光氣田酸氣外輸采用是丹尼爾高級孔板閥，采用的檢測元件是標準孔板節流裝置，該裝置設有上、下兩個密封腔，以及滑閥部件，其密封性能可靠，可實現在線更換、清洗、檢查孔板，孔板閥的操作也靈活方便。

裝置上、下腔間的密封件采用全硬密封結構，閥板和閥座采用316L材質，設有注脂輔助密封結構，可以防止閥座、閥板密封面上污物的沉淀和結垢。

閥體由上、下兩部分組成，中間滑閥連通或切斷，設有密封脂注入機構。下閥腔與孔板上游連通，當孔板閥正常工作時，滑閥關閉，下閥腔壓力與上游管內壓力相等，上閥腔壓力與大氣壓力相等，在上、下閥腔之間產生較大的壓力差，此壓力差作用在滑閥下方，從而增強其密封性。

孔板閥底部設有排污閥，用于定期吹掃排除閥內污物雜質。上閥腔亦設置有放氣孔，可接一開關，排出上閥腔內介質。

2.流量計算機

普光氣田地面集輸系統選用的流量計算機為艾默生的FLOBOSS 103流量計算機，集成差壓、靜壓雙變量變送器、RTD溫度變送器和流量計算功能為一體。FloBoss 103檢測孔板兩側差壓及管道靜壓，并通過Pt100熱電阻采集流體溫度，可以就地顯示這些測量值，同時也可通過標準的MODBUS RTU協議和RS485通訊接口將參數值傳給站控SCADA系統。可以接收上位機控制系統下載的氣體組分信息，也可通過MODSCAN 32軟件通過串口通訊向FloBoss 103內寫入氣體組分信息，還可通過配置軟件ROCLINK 800人工輸入組分信息。

雙變量變送器（DVS）采用成熟可靠的羅斯蒙特電容元件技術測量差壓。同時利用壓阻和硅傳感器技術檢測靜壓，測量的過程值精確、穩定和可重復性好。其專用微處理器使用存儲在永久存儲器中的特征化數據對原始傳感器信號進行線性化和校正。讀數存儲于FloBoss103的內部模擬輸入點中，通過中斷的方式向變送器的處理器發送數據。RTD溫度變送器采用鉑電阻Pt100來采集現場流體溫度，測量范圍為-40℃～240℃，精度：±0.2℃。

3.過程連接件

過程連接件包括2個1/4NPT的取壓閥，五閥組及引壓管。雙變量變送器(DVS)底部具有2個1/4-18 NPT內螺紋，用于連接孔板上的引壓管。上、下游管線通常連接到孔板的高、低壓測。取壓閥、五閥組和導壓管均采用哈氏合金材質。

三、外輸孔板流量計的誤差分析

在普光氣田現場，各集氣站場單井計量、單站外輸計量及集氣總站外輸總計量均采取高級孔板閥配套差壓檢測儀表使用。而有時由于種種原因，各集氣站場的天然氣計量之和與集氣總站外輸總計量存在輸差。針對現場這一實際情況，以外輸孔板流量計為例，從軟件問題和硬件問題兩方面展開分析。

1.軟件問題產生的誤差

采用標準孔板流量計測量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、差壓、壓力、溫度等參數有關。流量測量系統未能嚴格按計量標準要求配置相應的測量儀表，流量計算時氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化未能得到完全補償，均會造成流量計準確度下降，形成測量誤差。

而FloBoss103流量計算機計算軟件符合GB/T2624、SY/T6143、AGA3、AGA8標準，流量計算機符合 ISO/TR5168、GB13283及GB/T18603標準，測量系統滿足標準孔板流量計計量標準。

標準孔板測量是通過節流取差壓，引壓管高壓側做靜壓，軟件根據靜壓、差壓、溫度、氣體組份、孔板孔徑、管徑等參數計算流量計值。軟件中可以對這些參數進行設置，其中有一個參數不準確，都可以引起流量不準確。現場通過ROCLINK800配置軟件檢查各參數的配置情況，設置值均與現場實際情況相符。

同時，根據現場采集到的溫度、壓力、差壓及軟件中配置的管徑、孔徑等參數然后根據國際計量標準AGA8氣體壓縮因子計算方式運算出的流量與流量計測量值基本吻合。但是，通過現場實際差壓值與孔板差壓量程的對比，實際流量值與流量量程的對比分析，部分流量計的差壓、流量的實際運行值偏低，這樣會導致測量的準確度與可靠度大大降低。

2.硬件問題產生的計量數據誤差

通過現場孔板流量計的使用情況，孔板流量計會因為孔板、五閥組、導壓管路等硬件問題出現異常導致流量測量不準確。

（1）孔板

在長時間的使用過程中，標準孔板由于受天然氣的沖蝕或機械磨損而產生劃傷、變形，孔板的光潔度下降，入口的尖銳程度變圓，使其圓弧半徑不能滿足標準要求，引起計量數據比實際流量偏低。另外孔板厚度誤差，孔板產生臺階、偏心，管道粗糙度影響變化，導板周圍出現腐蝕、碳化，沉淀贓物較多等因素均會嚴重影響流量計量。

（2）五閥組

五閥組中的平衡閥關不嚴或內漏，有少量的泄漏致使氣體在引壓管中流動，從而使進變送器的差壓信號變小導致儀表輸出偏低。另外，由于普光氣田的介質特殊性，在五閥組內部出現腐蝕、硫沉積等因素也會導致測量的不準確。

（3）儀表引壓管路

儀表引壓管堵塞，引起流量計儀表輸出變化緩慢，甚至不變。在實際氣體計量中天然氣內含有固體懸浮顆粒或粉末，時間久了，有的還會固化，引起引壓管堵塞，使無法正常測量。特別是在集氣站場表現比較突出，這是由于這部分計量的是濕氣，并且氣質不潔凈。

結論與建議

由于普光氣田氣質的特殊性，現場使用條件也比較惡劣，孔板流量計在現場使用中還存在不少問題，節流裝置與五閥組及其引壓管線是引起計量不準確的主要原因。為實現普光氣田孔板流量計的準確計量、減少誤差，首先要加強管理，提高人員認識，做好日常維護保養工作。

1.定期對孔板進行檢查、清洗，發現問題后及時更換；

2.定期對差壓變送器進行回零檢查，發現有異常或超差情況，應及時進行校準，到期檢定。

3.定期對五閥組集氣引壓管線進行排污驗漏檢查，冬季氣溫下降，特別是普光氣田，易發生凍堵和硫沉積，需增加排污次數。