孔板流量計整流器設計與實用效益分析

鄭 超趙 漾羅 洋鄭 榕薛小紅杜 浪楊 鑒蔣佩忱

（1.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621709；2.四川頁巖氣勘探開發有限責任公司，四川 成都 610051；3.中國石油西南油氣田公司技術咨詢中心，四川 成都 610051）

0 引言

天然氣作為清潔能源，其需求量隨著社會的發展逐年增大，與之相應的是對天然氣計量的準確度要求精益求精。目前，天然氣計量廣泛使用標準孔板流量計。其原理是以流體進入孔板前、后所形成的壓差為基礎，通過理想流態下的經驗公式結合數學模型進行計算，得出具體數值［1-3］。實際使用過程中管內流態是否能滿足相應要求是計量準確度的關鍵［4-5］。通過前人研究表明，影響流量計準確度的因素較多，特別是氣體流態對計量準確度的影響。如孫萬章［6］認為影響孔板流量計測量精度的根本因素是節流裝置的幾何形態和流動狀態是否偏離設計標準；楊晶華［7］認為流體流態與孔板前積水是引起計量誤差的主要原因；王川紅［8］認為計量管段粗糙度的增加會增加系統誤差?，F階段我國所使用的整流器為固定式結構，但其存在較多缺陷［9-14］，因此提出一種可在線維護的體積流量計整流器的設計思路，其使用、維護方便，無需繁瑣的工藝流程，使操作人員的勞動強度及作業風險得以降低，工作效率提高的同時還可節約生產成本。目前，該設計已申報國家發明專利并獲得授權（專利號：ZL 2018 10599861.4）。

1 固定式整流器缺陷分析

整流器為氣體平整裝置，安裝于標準孔板流量計的前端，其作用是將天然氣的流態從紊流變為平流，從而使后端標準孔板流量計的計量更加準確［15-18］。目前所使用的整流器均為固定式結構［19-20］（圖1）。

圖1 固定式整流器實物圖

整流器在工作過程中，由于氣流所攜帶的雜質會使管內堆積污垢，引起管束內部堵塞或半堵塞，易形成紊流，使整流效果變差［21］。通過對現有固定式整流器結構及使用效果分析，主要存在以下不足：①維護、清洗時必須要實施關井、放空、置換等一系列流程倒換及停產斷氣等操作，工作程序繁瑣，不但影響氣井的正常生產，還影響對下游天然氣用戶的正常供氣；②整流器作為計量裝置的一部分，與計量準確度密切相關，若長時間不清洗，會降低整流效果，使紊流加重，影響計量的準確性，對企業經濟效益造成直接影響；③若在拆卸、更換的過程中遇到有毒或高壓氣流，可能會對操作人員的人身安全造成威脅。

2 新型整流器設計思路與特點

2.1 工作原理

設計改進以分體式閥腔為基礎，通過滑板閥的阻隔將其分為上、下兩個閥腔，并在工作中利用齒輪軸逐層傳遞的方式將整流管（板）從下閥腔移至上閥腔。通過放空閥平衡上閥腔與外界壓力，安全取出整流管（板）。在對其清洗、維護后用相同方式將其安裝歸位。

2.2 結構設計

根據國家標準（GB／T 21446-2008）規定，標準孔板流量計整流器分為兩種：一種為管束式，即整流管；另一種為孔板式，即整流板。兩者均為固定式安裝模式。新型整流器在固定式整流器結構的基礎上，以國家標準為依據，利用閥腔阻隔結構，結合齒輪傳動原理進行設計，使其滿足對管束式及孔板式的使用需求（圖2）。

裝置整體為上、下雙閥腔式，外部通過閥體固定螺絲使其相連，閥腔內部通過滑閥的移動上、下阻隔。整流管（板）安放于下閥腔下部，兩端與輸氣管道相接，內部可使氣流平穩流通。整流管（板）兩端外側設有齒輪槽，下閥腔底部為排污槽，排污槽順氣流方向的一側安裝有排污閥。下閥腔上部兩端安裝有齒輪軸，其轉動時可帶動整流管（板）上下移動。上閥腔底部為滑閥，中部兩端設計有與下閥腔相同的齒輪軸，其作用是接替下閥腔齒輪對整流管（板）的作用，上閥腔頂部設計有壓板、頂板以及頂絲，作用為密封及固定整流器頂部。腔體兩側安裝有輔助設計，如下閥腔與上閥腔連接處設有平衡閥及注脂口，上閥腔頂部側面設置有放空閥。

圖2 可在線維護標準孔板流量計整流器設計圖

2.3 使用方法

裝置工作前，首先對密封性進行檢查，保證其處于安全工作狀態。工作時主要包括整流管（板）平穩提升、整流管（板）安全取出以及整流管（板）安裝歸位三個部分。整流管（板）平穩提升：打開平衡閥，使上閥腔與下閥腔連通，從而平衡上閥腔與下閥腔內的壓力。其次，打開滑板閥，驅動下閥腔齒輪軸，將整流管（板）從下閥腔移至上閥腔，接著關閉滑板閥，關閉平衡閥。整流管（板）安全取出：打開放空閥，上閥體通過放空通孔與外界大氣連通，使上閥腔與外界的壓力平衡。打開頂絲，取出頂板、壓板。驅動上閥腔齒輪軸，將整流管（板）從上閥腔取出。整流管（板）安裝歸位：將整流管（板）放入上閥腔，驅動上閥腔齒輪軸，將整流管（板）下放上閥腔底部為止。蓋好壓板、頂板，安裝頂絲，關閉放空閥。打開平衡閥，使上閥腔與下閥腔內的壓力平衡。打開滑板閥，驅動下閥腔齒輪軸，將整流管（板）從上閥腔移至下閥腔。關閉滑板閥，關閉平衡閥。打開放空閥，將上閥腔氣體放空，確保上閥腔內部壓力平穩，最后關閉放空閥。

2.4 性能特點

設計發明的新型整流器的優勢主要在于提取、安裝整流管的過程中無需截斷流體或置換流體管路，實現在線維護整流器。此外，設計驅動裝置使整流管在上下閥腔內穿梭時，可實現整流管兩端同步升降，使整流器安裝與拆卸快捷、簡便。整個維護過程可避免高壓流體給現場操作人員帶來傷害，同時也解決了清洗、更換整流器時需要停產的問題。

通過上閥腔齒輪軸、滑板閥、下閥腔齒輪軸的配合就可移動管腔內的整流管（板），取出與安裝歸位的整個過程簡單、平穩、快捷，實現了在線維護整流器，減少天然氣或有毒有害氣體與操作人員的接觸，消除了潛在的危險。

3 新型整流器與固定式整流器實用性對比

新型整流器較傳統固定式整流器在清洗時間、清洗方式、作業方式、計量準確度影響以及操作的安全性方面具有更好的效果，提高工作效率的同時，對作業期間的安全性也有了明顯保障（表1）。同時，根據相關管理規定，計量設備需在半年內清洗、維護，但受實際生產條件的限制，難以達到管理規定要求，新型整流器設計的提出，可有效解決無法按期清洗維護的問題。

4 經濟效益分析

固定式整流器從停產斷氣開始完成一套清洗流程一般需要約4 h，根據要求每半年需清洗一次。清洗過程中無法持續生產，會影響天然氣銷售量以及用戶用氣。以單井日產量為30×104m3計算，天然氣出廠價按1.548元／m3（含稅及管輸費）計算，清洗一次影響天然氣銷售量約為5×104m3，損失銷售額達7.74萬元，全年合計則為15.48萬元。若按照油氣田全年生產天然氣量為300×108m3計算，由于清洗影響全年天然氣銷售量達2 700×104m3，損失銷售額約為4 000萬元。

表1 新型整流器與固定式整流器優缺點對比表

對于低壓低產積液氣井，年度產氣量約為5×108m3，一旦氣井關井將有可能不能復產，需要氣舉增壓機等措施輔助復產，預計年度因實施復產措施而減產的天然氣產量約為500×104m3，損失的價值約為770萬元。若采用新型整流器，預計可有效解決上述兩項問題，減少企業經濟效益損失。

5 結論

1）通過查閱整流器相關資料，發現并總結了目前國內現有固定式整流器的缺點與不足。

2）經過對現有固定式整流器設計的優化，原創性地設計了一種可在線維護的體積流量計整流器?？朔藗鹘y整流器拆裝工藝繁瑣、作業風險高等不足，在實現可在線清洗、維護的同時提高了現場作業的安全性。

3）目前，設計的新型整流器已獲得國家發明專利授權。雖然所設計的裝置暫未在氣田現場進行實際應用，但目前已通過國家石油天然氣大流量計量站成都分站的檢測，表明該設計符合國家規定的使用標準，后期將會結合現場實際應用效果進一步優化。