孔板流量計(jì)在普光氣田的應(yīng)用與誤差分析
摘要：普光氣田是迄今為止中國規(guī)模***大、豐度***高的特大型整裝海相氣田之一。普光氣田的氣質(zhì)特殊，屬高含硫化氫和二氧化碳，硫化氫含量15.16%，二氧化碳含量8.64%。普光氣田在天然氣外輸計(jì)量中選用的流量計(jì)量?jī)x表采用的是孔板流量計(jì)。本文說明孔板流量計(jì)在普光氣田的使用情況，并針對(duì)存在的計(jì)量問題進(jìn)行了分析。
1.孔板流量計(jì)的計(jì)量原理：
孔板流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，以能量守衡和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，利用流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)在其前后產(chǎn)生壓差，而此差壓值與流量平方成的正比關(guān)系來計(jì)算流量的。
（1）差壓法測(cè)氣原理具有一定壓力、充滿管道的天然氣在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而流速增大，靜壓降低。在節(jié)流裝置前后便產(chǎn)生了壓差，流量越大則產(chǎn)生的壓差也越大，這樣通過測(cè)量壓差的大小就可以間接地知道流量的大小，這就是差壓法測(cè)流量的原理。
（2）流束局部收縮和壓差的產(chǎn)生在孔板前，連續(xù)流動(dòng)著的流體將遇到孔板的阻擋。在管壁處的流體由于受孔板阻擋，阻力***大，使流體速度降低，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成靜壓能，其結(jié)果使孔板入口端面接近管壁處的流體靜壓力升高。而管道中心流速***大，靜壓較低，使其在同一端面形成徑向壓力差，其結(jié)果將使流體質(zhì)點(diǎn)在這一徑向壓差作用下產(chǎn)生一徑向加速度。在這一徑向速度作用下，靠近管壁處的流體質(zhì)點(diǎn)以偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度向孔口流動(dòng)，形成了流束的局部收縮。
由于流體運(yùn)動(dòng)的慣性，流經(jīng)節(jié)流裝置后流體將繼續(xù)保持原來的流動(dòng)方向，在孔板出口端面形成一***小收縮截面，此處流束截面***小，流速達(dá)***大，壓力較低。此后，流束又逐漸擴(kuò)大，壓力逐漸恢復(fù)升高，直到流體充滿整個(gè)管道，壓力恢復(fù)到***大值。但孔板后的壓力并沒有恢復(fù)到原來的數(shù)值，兩者壓力之差，即為流體流經(jīng)節(jié)流裝置后所產(chǎn)生的壓力損失。此壓力損失主要是由流體流經(jīng)節(jié)流裝置后流束突然擴(kuò)大所產(chǎn)生渦流呆滯現(xiàn)象所造成的。對(duì)于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣流量的實(shí)用計(jì)算公式為：
式中：qn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，單位為立方米每秒（m3/s）；As——秒計(jì)量系數(shù)，視采用計(jì)量單位而定，此式 As= 311794×10-6；C——流出系數(shù)；E——漸近速度系數(shù)；D——工況下孔板開孔直徑，單位為毫米（mm）；FG——相對(duì)密度系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；FZ——超壓縮因子；FT——流動(dòng)溫度系數(shù)； p1—— 孔板上游側(cè)取壓孔氣流靜壓，單位為兆帕（MPa）；Δp—— 氣流流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，單位為兆帕（MPa）。
孔板流量計(jì)是應(yīng)用***為廣泛、***為普遍的壓差式流量計(jì)。孔板流量計(jì)由三部分組成，即將被測(cè)流體的流量變換成差壓信號(hào)的節(jié)流裝置。其中包括節(jié)流件孔板和取壓裝置；傳輸差壓信號(hào)的管路；測(cè)量差壓值的差壓變送器及顯示儀表。
孔板流量計(jì)按照是否可以帶壓更換孔板，分為一體式孔板流量計(jì)和孔板流量計(jì)（孔板閥）。優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用技術(shù)成熟，容易掌握；適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在線更換、清洗、檢查孔板；性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長；孔板為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，不需要標(biāo)定。 缺點(diǎn)：量程比小，一般為 3: 1～5: 1；壓力損失較大；受影響因素較多，不確定度大；對(duì)前后直管段要求高。
由于普光氣田介質(zhì)的特殊性，硫化氫含量 15. 16%，二氧化碳含量 8. 64%，流量計(jì)量?jī)x表采用的是孔板流量計(jì)，由孔板閥、FLOBOSS103 流量計(jì)算機(jī)及過程連接件組成。
1.普光氣田酸氣外輸采用是丹尼爾孔板閥，采用的檢測(cè)元件是標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置，該裝置設(shè)有上、下兩個(gè)密封腔，以及滑閥部件，其密封性能可靠，可實(shí)現(xiàn)在線更換、清洗、檢查孔板，孔板閥的操作也靈活方便。
裝置上、下腔間的密封件采用全硬密封結(jié)構(gòu)，閥板和閥座采用 316L 材質(zhì)，設(shè)有注脂輔助密封結(jié)構(gòu)，可以防止閥座、閥板密封面上污物的沉淀和結(jié)垢。
閥體由上、下兩部分組成，中間滑閥連通或切斷，設(shè)有密封脂注入機(jī)構(gòu)。下閥腔與孔板上游連通，當(dāng)孔板閥正常工作時(shí)，滑閥關(guān)閉，下閥腔壓力與上游管內(nèi)壓力相等，上閥腔壓力與大氣壓力相等，在上、下閥腔之間產(chǎn)生較大的壓力差，此壓力差作用在滑閥下方，從而增強(qiáng)其密封性。
孔板閥底部設(shè)有排污閥，用于定期吹掃排除閥內(nèi)污物雜質(zhì)。上閥腔亦設(shè)置有放氣孔，可接一開關(guān)，排出上閥腔內(nèi)介質(zhì)。
2.普光氣田地面集輸系統(tǒng)選用的流量計(jì)算機(jī)為艾默生的 FLOBOSS 103 流量計(jì)算機(jī)，集成差壓、靜壓雙變量變送器、RTD溫度變送器和流量計(jì)算功能為一體。FloBoss 103 檢測(cè)孔板兩側(cè)差壓及管道靜壓，并通過 Pt100 熱電阻采集流體溫度，可以就地顯示這些測(cè)量值，同時(shí)也可通過標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS RTU 協(xié)議和 RS485 通訊接口將參數(shù)值傳給站控 SCADA 系統(tǒng)?？梢越邮丈衔粰C(jī)控制系統(tǒng)下載的氣體組分信息，也可通過 MODSCAN 32 軟件通過串口通訊向 FloBoss 103 內(nèi)寫入氣體組分信息，還可通過配置軟件 ROCLINK 800 人工輸入組分信息。
雙變量變送器（DVS）采用成熟可靠的羅斯蒙特電容元件技術(shù)測(cè)量差壓。同時(shí)利用壓阻和硅傳感器技術(shù)檢測(cè)靜壓，測(cè)量的過程值、穩(wěn)定和可重復(fù)性好。其專用微處理器使用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的特征化數(shù)據(jù)對(duì)原始傳感器信號(hào)進(jìn)行線性化和校正。讀數(shù)存儲(chǔ)于 FloBoss103 的內(nèi)部模擬輸入點(diǎn)中，通過中斷的方式向變送器的處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。RTD 溫度變送器采用鉑電阻 Pt100 來采集現(xiàn)場(chǎng)流體溫度，測(cè)量范圍為 – 40℃ ～240℃ ，精度：± 0. 2℃。
3.過程連接件包括 2 個(gè) 1/4NPT 的取壓閥，五閥組及引壓管。雙變量變送器(DVS) 底部具有 2 個(gè) 1/4-18 NPT 內(nèi)螺紋，用于連接孔板上的引壓管。上、下游管線通常連接到孔板的高、低壓測(cè)。取壓閥、五閥組和導(dǎo)壓管均采用哈氏合金材質(zhì)。
在普光氣田現(xiàn)場(chǎng)，各集氣站場(chǎng)單井計(jì)量、單站外輸計(jì)量及集氣總站外輸總計(jì)量均采取孔板閥配套差壓檢測(cè)儀表使用。