昆山科爾源儀器儀表有限公司
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閱讀：13發(fā)布時間：2025-7-6
與石油共存的天然氣主要是甲烷和乙烷組成的混合物，是一種優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。在發(fā)電、民用、化工、食品加工等行業(yè)有著廣闊的前景。據(jù)《2001年中國能源發(fā)展報告》報道：世界能源專家普遍認(rèn)為，天然氣資源比石油資源更為豐富，21世紀(jì)將是天然氣的世紀(jì)，并預(yù)計中國天然氣工業(yè)將進(jìn)人黃金發(fā)展期。根據(jù)第二次油氣資源評價：我國僅油型天然氣儲量就達(dá)38萬億m3，2000年產(chǎn)量僅為262億m3 ，在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中僅占2.2%，遠(yuǎn)低于世界平均水平24%，亞洲平均水平8.8%。為了適應(yīng)我國可持續(xù)發(fā)展的需要，加速開發(fā)和利用天然氣的時代已經(jīng)到來。因此對天然氣計量工作的研究。應(yīng)用和發(fā)展就顯得更為重要和迫切。
1 天然氣流量計量現(xiàn)狀
國內(nèi)外天然氣的計量，在流量計的使用上主要有以下幾類：孔板流量計、渦輪和腰輪流量計、渦街和旋進(jìn)旋渦流量計、超聲波流量計，在用量上以前兩種為主。
孔板流量計具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、使用簡單可靠的優(yōu)點，但存在著壓損大，量程比小，安裝要求嚴(yán)格，不耐腐蝕，不可以測雙向流、脈動流等缺點。渦輪和腰輪流量計對氣質(zhì)要求較高，遇氣質(zhì)雜質(zhì)受卡而無法計量。渦街和旋進(jìn)旋渦流量計量程寬、無叫動部件，但其對管網(wǎng)抗于擾能力要求較高，另外旋進(jìn)旋渦流量計的壓損特別大。超聲波流量計具有量程比大。雙向測量、無壓損、無可動部件和高精度等優(yōu)點，但其標(biāo)準(zhǔn)不*，干校后仍需實流檢定，探頭電氣特性的穩(wěn)定性及探頭的互換性有待于驗證，必須同期送檢（國家原油大流量計量站成都天然氣分站可以標(biāo)定3.8MPa以下的超聲波流量計〕，從費(fèi)用和工作量上看，對用戶是個極大的負(fù)擔(dān)。因此人們期待新型流量計的出現(xiàn)，以更好地滿足天然氣汁量的需要。
2 天然氣彎管流量計
以李志教授為學(xué)術(shù)帶頭人的河北理工學(xué)院課題組對彎管流量計的研究工作已有十幾年的歷史，2000年在總結(jié)過去十幾年應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，開始天然氣彎管流量計的應(yīng)用研制工作。2001年順利通過了與現(xiàn)場進(jìn)口超聲波流量計的比對，證明它可與昂貴的進(jìn)口超聲波流量計媲美。2002年9月通過了國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站的實流檢定工作。2003年初獲得天然氣彎管流量計計量器具生產(chǎn)許可證（CMC，準(zhǔn)確度1.0級）。截止到2003年9月份，天然氣彎管流量計在大慶采油六廠的用量已近20臺套；一年多的現(xiàn)場應(yīng)用再次驗證了它具有高精度、大量程比、雙向測量、無壓損、無可動部件、耐磨損、耐腐蝕、一次元件長期運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)良性能，得到了用戶的高度評價。
3 天然氣彎管流量計工作原理及基本參數(shù)
3.1 工作原理
流體流經(jīng)彎管時，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，其內(nèi)側(cè)流速會逐漸增大，外側(cè)流速會逐漸減小。形成了各個過流斷面的梯形速度分布規(guī)律，且在彎管45°截面處達(dá)到。在流出彎管側(cè)流動過程相反。
根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定津和動量矩守恒定律，由于各質(zhì)點流速的變化，就形成了彎管的內(nèi)外側(cè)壓差△p。這個壓力差在45°截面時達(dá)到，。流體平均速度v與壓差△P符合平方比例關(guān)系，流量愈大，差壓愈大。
當(dāng)彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，只要測取彎管45°面的內(nèi)、外側(cè)壓差△p和流體的密度ρ就可以確定流體的平均流速v。然后計算工況流量和標(biāo)況流量。
數(shù)學(xué)表達(dá)式：
式中：
為流體平均流速，m/s；α為流量因數(shù)，無量綱，與R、D有關(guān)；△p為45°截面外側(cè)、內(nèi)測壓差，Pa；D為彎管內(nèi)徑，m；R為彎管曲率半徑，m；ρ為流體密度，kg/m3。3.2 基本參數(shù)
管徑范圍：Ф10～Ф2000mm；量程比：10:1（100:1）；直管段要求：前5D后2D；準(zhǔn)確度等級：0.5～1.0級；重復(fù)性：0.1%；流速范圍（氣體）：5～160m/s；溫度：≤600℃；壓力：≤32MPa；沒有附加能量損失。
4 天然氣彎管流量計的系統(tǒng)組成及說明
4.1 系統(tǒng)組成
天然氣彎管流量計由12個部分組成，如圖2所示。傳感器由數(shù)控機(jī)床精密加工而成，是核心部件；二次儀表精度高，具有組分輸入和壓縮因子計算功能；隔離器起到防堵的作用；隔離柵起到安全防爆的作用。
4.2 系統(tǒng)說明
（1）彎管傳感器：是機(jī)加工而成幾何精度很高的90°彎頭。它是彎管流量計的核心部件。彎管傳感器的內(nèi)徑D、曲率半徑R、弧長L決定了彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸。而采用數(shù)控機(jī)床加工的彎管傳感器，均可保證各項幾何結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、流量計的準(zhǔn)確度等級也提高到1.0級，這為彎管流量汁的批量投產(chǎn)、幾何檢定（干校）提供了堅實的基礎(chǔ)。
彎管傳感器對微量的磨損和結(jié)垢不敏感，無需周期檢定。因為微量的磨損對彎管傳感器而言，使得內(nèi)徑D變大，同時彎徑比R/D變小、根據(jù)原理中的公式，彎管流量計實現(xiàn)了自補(bǔ)償，基本不影響測量精度；微量的結(jié)垢道理是一樣的，因此彎管流量計對微量的磨損和結(jié)垢不敏感；對于特別臟得的介質(zhì)，長時間運(yùn)行造成D變小，只要定期清洗即可（可采用蒸汽吹掃方式）。
根據(jù)彎管流量計原理及大量的實驗數(shù)據(jù)表明，彎管傳感器的量程范圍非常寬，但受到差壓變送器量程和精度的影響，一般確定其量程比為10:1；如果采用雙差壓技術(shù)，量程比可擴(kuò)充至100:1。
彎管傳感器沒有附加壓力損失．是節(jié)能型的流量計。在高壓天然氣的計量中不會引起氣體的節(jié)流降壓，也不會造成工藝系統(tǒng)的憋壓，這個優(yōu)點對于低壓天然氣應(yīng)用場合是非?？少F的。
（2）隔離器：在油井采氣和注氣過程中，發(fā)現(xiàn)天然氣中有較多的油性物質(zhì)，易造成導(dǎo)壓系統(tǒng)的根部閥堵塞，系統(tǒng)無法正常工作。為了解決這一問題，在彎管傳感器取壓部位加裝隔離器，油性物質(zhì)經(jīng)過取壓口進(jìn)入隔離器沉積，不會影響系統(tǒng)取壓，經(jīng)過長時間運(yùn)行后只需打開隔離器底部的排污閥，沉積物排除即可，經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行證明該方法方便可靠。
（3）二次儀表：流量計必須具備*的溫度和壓力的測量和補(bǔ)償功能，才能滿足天然氣高準(zhǔn)確度的計量需求，所以二次儀表的性能顯得尤為重要；二次儀表的補(bǔ)償運(yùn)算中關(guān)鍵是天然氣密度的計算，而天然氣密度是由其組份和狀態(tài)參數(shù)（溫度、壓力）確定的。天然氣具有組份的多樣性（受時間、地域、地層深度不同的影響）和不遵循理想氣體狀態(tài)方程的特點，在天然氣密度的計算公式中壓縮因子是溫度和壓力的函數(shù)，相比較其計算量、最復(fù)雜，因此計算天然氣密度的問題實質(zhì)上就轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銐嚎s因子的問題。彎管流量計二次儀表采用GB/T17747－1999（等效ISO12213：1997）的配套算法即AGA8－92DC算法計算壓縮因子，此算法迭代程序復(fù)雜、耗時多。例如C語言程序在24MHz的MCS－51單片機(jī)中計算一個壓縮因子數(shù)值約需8min。經(jīng)過一系列優(yōu)化后計算一個壓縮因子也需要70s。因此彎管流量計為天然氣計量配備了功能*的二次儀表。當(dāng)然，對于同一氣源，組分相對穩(wěn)定．壓縮因子不需要經(jīng)常計算。
彎管流量計在大慶建立了14臺彎管流量計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括高性能的計算機(jī)和現(xiàn)場二次儀表、壓縮因子的計算可由控制汁算機(jī)完成，這樣就大大提高了整個系統(tǒng)的跟蹤能力。
5 國家天然氣流量計量站檢定結(jié)果
檢定工作在國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站進(jìn)行．采用從美國CEESI引進(jìn)臨界流音速噴嘴次級標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定，總精度為0.25%檢定樣品為DN100和DN200的天然氣彎管流量計各一臺。檢定結(jié)論：準(zhǔn)確度等級1.0級。
5.1 檢定結(jié)果圖表分析
表1 DN100天然氣彎管流量計檢定數(shù)據(jù)
標(biāo)況流量 | 各點流量 | 各點流量相 | |
1 | 19992.94 | 0.03 | 0.61 |
2 | 16220.44 | 0.01 | 0.77 |
3 | 11905.03 | 0.03 | 0.90 |
4 | 6411.05 | 0.04 | 0.79 |
5 | 2929.52 | 0.07 | 0.63 |
由表1可計算檢定結(jié)果：基本誤差為0.93%；流量計重復(fù)性0.07%；流量計相對示值.90%。
表2 DN200天然氣彎管流量計檢定數(shù)據(jù)
標(biāo)況流量 | 各點流量 | 各點流量相 | |
1 | 10806.65 | 0.04 | 0.89 |
2 | 15645.61 | 0.04 | 0.96 |
3 | 24275.91 | 0.02 | 0.80 |
4 | 29327.28 | 0.03 | 0.70 |
5 | 28846.33 | 0.01 | 0.53 |
由表2可見，檢定結(jié)果：基本誤差為0.99%；流量計重復(fù)性0.04%；流量計相對示值.96%。
5.2 檢定結(jié)論
（1）彎管流量計經(jīng)過實流標(biāo)定可以達(dá)到準(zhǔn)確度0.5級（相對示值誤差）。從檢定的原始數(shù)據(jù)可以看出所有相對示值誤差均為正值，且基本在0.53%至0.96%之間，說明存在一個系統(tǒng)誤差，通過改變流量系數(shù)至原系數(shù)的0.9926，即可以保證±0.25%的相對示值誤差，確定0.5級的準(zhǔn)確度等級還有相當(dāng)裕量（見圖3、圖4）。
（2）彎管流量計不經(jīng)過實流標(biāo)定即可以達(dá)到準(zhǔn)確度1.0（相對示值誤差），所檢定的兩臺彎管流量計檢定前只采用幾何檢定法．檢定中相對示值誤差分別為0.90%和0.96%。
（3）彎管流量計具有重復(fù)性。優(yōu)于0.1%，兩臺彎管流量計檢定結(jié)果重復(fù)性分別為0.07%、0.04%。
6 感謝
天然氣彎管流量計作為天然氣流量計量的一種新型產(chǎn)品，一出現(xiàn)就展示出了強(qiáng)勁的生命力。這里面凝聚了眾多專家和的智慧和心血。在此一并感謝：感謝王池、謝紀(jì)績、段慧明、鄭琦、黃飛、王學(xué)文等同志在我們研究天然氣彎管流量計工作中給予的支持和關(guān)注；感謝大慶采油六廠的全體同志給予的支持和信任；感謝華陽天然氣流量檢定站的同志們在我們的檢定試驗過程中給予的友情配合。
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