天然氣流量計算機校準的常見問題及處理方法

楊世彬

大慶油田設(shè)計院有限公司

流量計算機具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運算速度快、精度等級高等特點[1-2]。為確保天然氣交接計量準確、可靠，天然氣貿(mào)易交接時，天然氣計量站均采用流量計算機計量的最終交接天然氣標況體積流量作為貿(mào)易結(jié)算憑證。通過采集流量計參數(shù)和相關(guān)的溫度、壓力、氣體組分等參數(shù)，將工況體積流量轉(zhuǎn)換成標況體積流量，依據(jù)檢定規(guī)程進行數(shù)據(jù)分析處理，得出對應(yīng)流量計量數(shù)據(jù)[3-4]。為保證貿(mào)易交接準確可靠，依據(jù)JJG 1003—2016《流量積算儀檢定規(guī)程》，需要對計量數(shù)據(jù)進行校準。

近年來，計量技術(shù)人員對于流量計算機應(yīng)用研究較多，校準方法研究較少。本文以F1 渦輪流量計算機為例，對校準過程中流量示值誤差偏大原因進行歸納總結(jié)，列舉校準后流量計算機不能正常運行的問題，提出合理解決方案。

1 數(shù)學(xué)模型建立

渦輪流量計工況流量與流量計算機標況流量轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：Q為渦輪流量計工況體積流量，m3/h；f為單位時間內(nèi)渦輪流量計發(fā)的脈沖信號個數(shù)，s-1；K為渦輪流量計的脈沖系數(shù)，即單位體積的流體流過流量計發(fā)出的脈沖數(shù)，L/m3；Qn為渦輪流量計標況體積流量，m3/h；p為工作狀態(tài)下絕對壓力，kPa；pn為標準大氣壓力，101.325 kPa；T為工作條件下氣體溫度，℃；Tn為標準狀態(tài)下氣體溫度，20 ℃；Z為工作條件下氣體壓縮因子；Zn為標準參考條件下氣體壓縮因子。

由公式（1）、（2）可知，流量示值誤差來源于以上參數(shù)。各輸入量相對標準不確定度如表1所示。

表1 相對標準不確定度匯總Tab.1 Summary of relative standard uncertainty

由于各輸入量的估算值變化不會導(dǎo)致其他參量變化，故相關(guān)系數(shù)為0。根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，若合成不確定度為

則相對擴展不確定度為

2 示值誤差偏大原因分析

以國家管網(wǎng)西氣東輸某天然氣計量站F1 流量計算機為例，使用標準器MC6（多功能校驗儀）作為信號源，模擬流量計發(fā)出不同頻率信號，同時固定壓力、溫度、儀表系數(shù)等輸入量，得出標況流量示值誤差（表2）。

表2 校準結(jié)果Tab.2 Calibration results

2.1 壓縮因子計算誤差大

流量計算機計算的Z、Zn值與國家站軟件計算結(jié)果相差較大，導(dǎo)致示值誤差偏大。

（1）組態(tài)內(nèi)氣體組分設(shè)置為keypad（鍵盤值）時，無法保存，計算機實際采用download 在線色譜值。如表3 所示，由于在線色譜分析儀采集的氣體組分值是實時變化的，且各組分的保留時間完全不同，無法完成校準工作。可在組態(tài)軟件內(nèi)關(guān)閉online gas quality（在線氣體組分），將其改為No，保存并上傳組態(tài)。如表4 所示，組分值來源更改為鍵盤值，或者從上位機中斷開氣體色譜儀，流量校準結(jié)束后再恢復(fù)在線色譜采集。

表3 色譜分析儀采集組分時間變化Tab.3 Time change of components collected by the chromatographic analyzer

表4 氣體摩爾分數(shù)及其來源Tab.4 Molar fraction of gas and its source

（2）在國家管網(wǎng)集團西氣東輸各天然氣站中，流量計算機均采用AGA8-92DC 法和氣相色譜歸一法計算天然氣壓縮因子等參數(shù)（表5）。

表5 歸一化前后天然氣壓縮因子等參數(shù)計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of parameters like natural gas compressibility factor before and after normalization

2.2 流量計多點誤差修正

如表6 所示，利用標準裝置對渦輪流量計進行檢定時，選取量程內(nèi)固定幾個流量點作為檢定點[5]，計算出各點的示值誤差，并對多點誤差做修正處理。流量計算機的校準是模擬一個標準的工況流量，不需要誤差修正。在校準過程中將組態(tài)內(nèi)流量計各檢定點及對應(yīng)誤差修正值做好記錄，然后將誤差修正值全部修改為0，待校準結(jié)束后將修正值恢復(fù)，保存并上傳組態(tài)。

表6 流量檢定點及修正誤差Tab.6 Flow verification points and error correction

3 校準后不能正常運行問題

3.1 小信號切除

當(dāng)進出口閥門全關(guān)閉，確認管路內(nèi)無氣體流動時，流量計算機仍然顯示有流量累加。雖然渦輪流量計理論上不存在零點漂移問題，但流量以模擬信號形式輸出時，因模擬電路的特性也會產(chǎn)生漂移。由于渦輪流量計探頭輸出脈沖信號，其幅值與流過漩渦發(fā)生體流體的流速平方成正比。當(dāng)探頭輸出信號幅值較大時，信噪比也較大，干擾不易侵入；當(dāng)流速較低、信噪比小時，干擾容易侵入。此時采用小信號切除方法，使儀表既能在流速較高時保證正常測量，又能在流速低于切除值、可測最小流量對應(yīng)值時，穩(wěn)定指示零。雖然小信號對全天計量的影響不大，但如果長時間累計，對計量準確度影響極大[6-7]。合理設(shè)置與渦輪葉片啟動靈敏度相匹配的小信號切除點是提高計量準確度的關(guān)鍵（表7）。

表7 小信號切除設(shè)置Tab.7 Small signal removal setting

3.2 組態(tài)上傳錯誤

校準恢復(fù)后，流量計算機面板上顯示壓力、溫度為固定值，且現(xiàn)場的壓力、溫度變送器示值異常。由于流量校準過程中溫度、壓力要采用固定的替代值（substitute value），校準結(jié)束后直接上傳組態(tài)，計算機沒有采集到現(xiàn)場的壓力、溫度信號；所以，應(yīng)在校準結(jié)束后將替代值方式改為無效（invalid），再上傳組態(tài)。

3.3 壓力下限報警

校準恢復(fù)后，流量計算機顯示壓力信號在8 000 kPa 與101.1 kPa 之間變換，現(xiàn)場壓力變送器示值在100.8 kPa 上下浮動，報警顯示pmin alarm（壓力下限報警）。原因是：由于計算機組態(tài)內(nèi)將壓力下限報警值設(shè)置為101 kPa，當(dāng)壓力低于101 kPa就會產(chǎn)生報警，示值顯示8 000 kPa 鍵盤值；當(dāng)壓力大于或等于101 kPa 時，顯示正常示值；比如，將壓力下限報警值設(shè)置為100.5 kPa，就不會產(chǎn)生報警，但又不能設(shè)置過低，因為壓力變送器檢定過程中對于下限絕壓值的調(diào)整都是以當(dāng)?shù)氐膶嶋H大氣壓值作為標準值[8]。因此，在不同的海拔地區(qū)，由于當(dāng)?shù)卮髿鈮褐档牟町悾侠碓O(shè)置壓力下限報警值顯得尤為關(guān)鍵。

3.4 流量計通信報警

流量計算機校準結(jié)束后，顯示渦輪流量計通信報警，而且清除不掉。在校準過程中需要拔掉機柜后面采集流量計脈沖信號的端子，通過標準器模擬現(xiàn)場脈沖信號，此時流量計與流量計算機通信中斷。當(dāng)校準結(jié)束后，恢復(fù)端子，流量計算機還記憶著模擬流量信號[9]，連接流量計信號端子后無法識別。需要重啟流量計算機，重新與流量計匹配通信信號，若仍不能消除報警，可以將氣體分輸支路切換到該流量計所在支路，流量計產(chǎn)生工況流量，通信報警就會消除。

4 結(jié)束語

通過提出流量計算機示值誤差偏大的解決方案，可降低計量誤差，提高流量計算機校準精度，保證貿(mào)易計量的準確性，減少計量糾紛，維護貿(mào)易雙方的經(jīng)濟利益。通過采取一些流量計算機校準后共性問題的處理方法，不僅能提高校準的工作效率，增強分輸與計量狀態(tài)的連續(xù)性，減少污染物的排放，保護環(huán)境，而且可降低人力、物力以及不必要的設(shè)備損耗，提高設(shè)備使用的科學(xué)性，提高能源利用的有效性[10]，減少生產(chǎn)過程中的能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。