流量计孔径比对天然气输差的影响

    1 输差的概念

    输差是指平衡商品天然气中间计量与交接计量之间流量的差值。计算公式为：

         （1）

    式中：Q₅——某一时间输气管道内平衡输气量之差值，m³；

    Q₁——同一时间内的输入气量，m³；

    Q₂——同一时间内的输出气量，m³；

    Q₃——同一时间内输气单位的生产、生活用气量，m³；

    Q₄——同一时间内放空气量，m³；

    V₁——计量时间开始时，管道计算段内的储存气量，m³；

    V₂——计量时间终了时，管道计算段内的储存气量，m³。

    相对输差计算公式为：

       （2）

    式中：η——相对输差，%。

    输差的大小是衡量一个企业计量交接工作是否正常的重要数据，通常对于输差要确定一个控制标准（一般参照±0.35%执行）。若计量输差超出控制标准，将会造成成品油交接计量的无序发展，引起内部经济效益的流失。因此进行油气的输差控制与分析对提高企业效益、降低成本具有十分重要的意义。

    按物质不灭定律，只要输送管道无泄漏，输差应该等于零，然而，由于量值是用仪表测量出来的，有测量就会有误差；另外，由于压力的变化，管内存储会发生变化，从而造成输人、输出的量值产生差值。    

    输差的存在有着客观和主观两方面的原因。客观上的原因是来自仪器仪表、测量、化验等方面的误差及正常的途耗，另外是流量计卡堵及管线跑冒滴漏。主观原因主要来自人员失误、不规范计量行为、计算错误等粗大误差，甚至偷盗行为和弄虚作假行为。

    2 孔板流量计对输差的影响

图1 孔板流量计示意图

图2 孔板流量计安装示意图

    孔板流量计又称为差压式流量计，是由一次检测件（节流件）和二次装置（差压变送器和流量显示仪）组成，见图1和图2。广泛应用于气体、蒸汽和液体的流量测量。具有结构简单，维修方便，性能稳定，使用可靠等特点。

    根据误差理论，标准孔板配二次仪表组成的流量计量系统的误差由随机误差、已定系统误差、未定系统误差三部分组成。由于天然气的原始计量结果是取多次测量的平均值，根据误差理论可知，在测量次数足够多的情况下，可以忽略测量产生的随机误差。对于已定系统误差，一般在测量中力求对已定系统误差作修正处理，所以理论分析讨论计量装置的误差实际上只考虑仪表本身带来的未定系统误差。

    未定系统误差的大小可以用流量测量的不确定度来计算。根据SY？6143-1996可知，流量测量的不确定度相当于标准偏差的两倍，因此，求出流量测量的不确定度，就可以得到测量系统的标准偏差。

    标准孔板流量计系统体积流量计算公式为：

    

    式中：Q_n——标准状态下天然气体积流量，m³/s；

    ρ_n——天然气在标准状态下的密度，kg/m³；

    ρ₁——天然气在流动状态下上游取压孔处的密度，kg/m³；

    Gr——标准状态下天然气的相对密度；

    Za——干空气在标准状态下的压缩因子；Zn——天然气在标准状态下的压缩因子；

    Z1——天然气在实测状态下的压缩因子；

    Ma——干空气的相对分子质量；R——通用气体常数；     

    C——流出系数；

    β——孔径比，β=d/D；

    Δp——孔板前后差压，Pa；

    Î——流束膨胀系数。

    天然气体积流量的测量不确定度按下式计算：

    

    式中：——流出系数的不确定度，±0.6%；    

    ——测量管内径的不确定度，±0.4%；

    ——可膨胀系数的不确定度，±4

    ——孔板开孔直径的不确定度，±0.0.7%；

    ——天然气流动时上游的绝对压力测量的不确定度；

    ——差压测量的不确定度；

    ——天然气相对密度测量的不确定度，±0.5%；

    ——天然气压缩因子测量的不确定度，±0.5%；

    ——天然气流动热力学温度测量的不确定度。

    3　CFD软件模拟

    目前国内天然气的计量大多采用的是孔板流量计，其原理见图3。该流量计的测量精度能够满足SY/T6143—1996标准的要求，但在实际的生产中，由于节流装置的设计、制造安装以及使用条件不符合标准的要求，或者仪表选择不当，影响了孔板流量计的实际测量精度。    

图3　孔板流量计原理图

    利用CFD通用软件PHOENICS，对输差现象进行了数值模拟。图4即为建立的物理模型，图5为天然气的速度矢量和云图，图6为孔板流量计后的速度矢量和云图。通过数值模拟，我们可以建立不确定度和孔径比β的关系，如图7。

    

图7 不确定度和孔径比的关系图

    一般而言，孔径比β值越高，不确定度也就越高，所造成的天然气输差也就越大，因此应避免采用孔径比大的孔板。另外，孔板弯曲或变形、孔板流量计的孔板锐边、截面及流线的变化、管道内的腐蚀物、管道内壁的相对粗糙度都会对输差构成一定的影响。

    4 结论

    从上面的分析可知，天然气计量过程中出现误差是在所难免的，而且有许多是不可避免的误差。在实际应用中，应尽量避免超过国家标准中0.10≤β≤0.75规定的上限，减少输差。