節(jié)流降溫對天然氣大流量計量檢定準(zhǔn)確性的影響與對策

2019-03-22 00:50:34段枷亦

天然氣工業(yè) 2019年2期

游赟李琳段枷亦

1. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院 2. 中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院有限公司

0 引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)天然氣貿(mào)易量快速增加，流量計量儀表工作條件呈現(xiàn)多樣化[1-2]，為適應(yīng)高壓力大流量的天然氣計量儀表全量程校準(zhǔn)和檢定，我國在吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上自建了多個天然氣大流量標(biāo)定站[3]。雖然各地的天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的規(guī)模和能力不盡相同，但在流量計檢定過程中對準(zhǔn)確度干擾較大的因素都表現(xiàn)為溫度和壓力的影響[4-7]。通常，為保證檢定系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)站天然氣需進(jìn)行流量、壓力和溫度的綜合性調(diào)節(jié)來滿足檢定要求，而站內(nèi)高壓天然氣的節(jié)流降溫勢必導(dǎo)致被檢介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致流量計檢定的準(zhǔn)確性下降[8-11]。因此，探索分析天然氣節(jié)流降溫對檢定準(zhǔn)確性的影響，并設(shè)計提出適宜的復(fù)熱工藝以消除氣源溫度不穩(wěn)定給檢定帶來的誤差，可有效地減小測量誤差，提高計量的準(zhǔn)確度。

表1 進(jìn)站氣源組成表

圖1 武漢計量站工藝流程圖

1 計量站檢定工藝流程

國家石油天然氣大流量計量站武漢分站（以下簡稱武漢計量站）依托川氣東送干線武漢分輸站的氣源條件，以高壓氣體活塞裝置HPPP為原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，工藝系統(tǒng)設(shè)計壓力為10.0 MPa，檢定操作壓力介于5.0～9.0 MPa，被檢定流量計口徑介于50～400 mm，工況檢定流量范圍介于20～9 600 m3/h[12]。由武漢分輸站來氣的進(jìn)站壓力介于6.5～8.5 MPa，進(jìn)站溫度介于10～20 ℃，天然氣組成如表1所示。

武漢計量站的主要工藝流程如圖1所示，武漢分輸站所來的天然氣首先經(jīng)過濾、加熱，然后通過降壓并控壓穩(wěn)定至合理的檢定壓力后進(jìn)入檢定系統(tǒng)，檢定壓力等級為4.0 MPa、6.3 MPa和10.0 MPa。根據(jù)檢定需要選擇使用小流量檢定系統(tǒng)（檢定流量介于8～800 m3/h）或大流量檢定系統(tǒng)（檢定流量介于25～9 600 m3/h）。檢定后的天然氣經(jīng)過流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行分輸，其中低壓氣經(jīng)調(diào)壓并計量后分送至終端用戶支線系統(tǒng)，高壓氣回送至黃梅分輸站干線系統(tǒng)。另外，余氣回收系統(tǒng)將管內(nèi)余氣經(jīng)由壓縮機升壓至4.5 MPa后并入低壓支線[8,13-15]。

2 溫度對氣源的影響分析

2.1 溫度影響天然氣密度的計算

在大流量計量站內(nèi)一般是將被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表串接組合使用來進(jìn)行檢定工作的。因此，在進(jìn)行檢定操作時，實際流經(jīng)被檢表的天然氣質(zhì)量流量（mf）[16]為：

式中ms表示標(biāo)準(zhǔn)表的天然氣質(zhì)量流量，kg/h；Δm表示操作條件變化引起的天然氣質(zhì)量流量的變化增量，kg/h。對于溫度發(fā)生微小波動產(chǎn)生的天然氣密度變化都會影響天然氣流量計檢定過程的精度。所以，檢定誤差（Δm）的求解需通過分析溫度變化（ΔT）導(dǎo)致的天然氣密度（ρ）變化得到。而天然氣真實氣體的密度可根據(jù)壓縮因子來計算：

根據(jù)GB/T 17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計算第2部分：用摩爾組成進(jìn)行計算》提供的AGA8-92DC計算方法可計算較寬的溫度和壓力條件范圍內(nèi)天然氣壓縮因子[17]：

式中Z表示壓縮因子；B表示第二維利系數(shù)；ρm表示摩爾密度（單位體積的摩爾數(shù)），mol/m3；ρr表示對比密度，kg/m3；bn、cn、kn表示常數(shù)，可查GB/T 17747.2—2011表B.1得到；表示溫度和組成函數(shù)的系數(shù)。

對比密度與摩爾密度相關(guān)，兩者的關(guān)系為：

式中K表示混合物體積參數(shù)。

摩爾密度表示為：

式中p表示絕對壓力，MPa；R表示摩爾氣體常數(shù)；T表示熱力學(xué)溫度，K。

根據(jù)GB/T 17747.2—2011附錄B給出的相關(guān)式計算B和Cn*，然后通過適當(dāng)數(shù)值計算方法，聯(lián)立式（3）和式（5）就可以計算得出ρm和Z。

由此，建立天然氣壓縮因子和密度的計算程序框圖如圖2所示。

圖2 天然氣壓縮因子和密度計算程序框圖

2.2 溫降產(chǎn)生的檢定誤差

檢定條件為4 MPa、20 ℃，通過上文程序計算得到天然氣氣源的質(zhì)量密度為29.186 81 kg/m3。如果天然氣溫度產(chǎn)生1 ℃的溫降波動，那么溫降后的天然氣密度為 29.317 67 kg/m3，則單位天然氣溫度變化給檢定帶來的誤差（E）為：

3 溫度對檢定管路的影響分析

3.1 管道的溫度分布和熱變形影響

建立檢定管路橫截面的極坐標(biāo)系如圖3所示，設(shè)管外環(huán)境大氣溫度為θa，管內(nèi)介質(zhì)溫度為θg，管道內(nèi)徑為b，外徑為c，管長為L[18]。假設(shè)管道的溫度和熱應(yīng)力不隨管長變化，即L與b的比值較大，在溫度場穩(wěn)定后，管道壁上的熱傳導(dǎo)計算為：

圖3 檢定管路道橫截面的極坐標(biāo)系圖

邊界條件為：r＝b時，θ＝θb；r＝c時，θ＝θc。由此可得管道壁溫的分布規(guī)律為：

管道壁溫與外界環(huán)境大氣氣溫的關(guān)系為：

式中B＝λ/k，λ表示管道材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；k表示管道內(nèi)流體的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ba＝λ/ka，ka表示大氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

根據(jù)廣義胡克定律得：

式中σr、σβ、σz分別表示對應(yīng)極坐標(biāo)系3個方向上的應(yīng)力值，MPa；ur、uz分別表示坐標(biāo)方向上的位移；E表示管道的彈性模量，MPa；μ表示管道的泊松比；α表示管道的線脹系數(shù)，1/℃。

通過模型求解可得r方向熱變形（ur）為：

3.2 管道容積的溫度修正和測量誤差計算

檢定管路在溫度θ時的容積為：

式中Vθ表示溫度θ時的管容，m3；εz表示坐標(biāo)z方向上的應(yīng)變；ur表示內(nèi)徑變化量，m；L表示溫度為0 ℃時的管長，m；r表示溫度為0 ℃時的管徑，m；V0表示溫度為0 ℃時的管容，m3。

由于大流量檢定管路的管徑較大，不能忽略其壁厚對管容變化的影響，因此設(shè)（δ/b）與1相比是一階小量，對所有高于或等于（δ/b）2的高階小量忽略后修正管道容積為：

在直管段部分，可忽略大氣的對流換熱系數(shù)（ka）的影響，則可近似認(rèn)為θc=θg。對于A類流量計，檢定點一般包括 qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax和qmin；對于0.1