天然气弯管流量计

      与石油共存的天然气主要是甲烷和乙烷组成的混合物，是一种优质能源和化工原料。在发电、民用、化工、食品加工等行业有着广阔的前景。据《2001年中国能源发展报告》报道：世界能源专家普遍认为，天然气资源比石油资源更为丰富，21世纪将是天然气的世纪，并预计中国天然气工业将进人黄金发展期。根据第二次油气资源评价：我国仅油型天然气储量就达38万亿m³，2000年产量仅为262亿m³ ，在能源消费结构中仅占2.2%，远低于世界平均水平24%，亚洲平均水平8.8%。为了适应我国可持续发展的需要，加速开发和利用天然气的时代已经到来。因此对天然气计量工作的研究。应用和发展就显得更为重要和迫切。

      1 天然气流量计量现状

      国内外天然气的计量，在流量计的使用上主要有以下几类：孔板流量计、涡轮和腰轮流量计、涡街和旋进旋涡流量计、超声波流量计，在用量上以前两种为主。

      孔板流量计具有标准化程度高、使用简单可靠的优点，但存在着压损大，量程比小，安装要求严格，不耐腐蚀，不可以测双向流、脉动流等缺点。涡轮和腰轮流量计对气质要求较高，遇气质杂质受卡而无法计量。涡街和旋进旋涡流量计量程宽、无叫动部件，但其对管网抗于扰能力要求较高，另外旋进旋涡流量计的压损特别大。超声波流量计具有量程比大。双向测量、无压损、无可动部件和高精度等优点，但其标准不完善，干校后仍需实流检定，探头电气特性的稳定性及探头的互换性有待于验证，必须同期送检（国家原油大流量计量站成都天然气分站可以标定3.8MPa以下的超声波流量计〕，从费用和工作量上看，对用户是个极大的负担。因此人们期待新型流量计的出现，以更好地满足天然气汁量的需要。

      2 天然气弯管流量计

      以李志教授为学术带头人的河北理工学院课题组对弯管流量计的研究工作已有十几年的历史，2000年在总结过去十几年应用成果的基础上，开始天然气弯管流量计的应用研制工作。2001年顺利通过了与现场进口超声波流量计的比对，证明它完全可与昂贵的进口超声波流量计媲美。2002年9月通过了国家原油大流量计量站成都天然气流量分站的实流检定工作。2003年初获得天然气弯管流量计计量器具生产许可证（CMC，准确度1.0级）。截止到2003年9月份，天然气弯管流量计在大庆采油六厂的用量已近20台套；一年多的现场应用再次验证了它具有高精度、大量程比、双向测量、无压损、无可动部件、耐磨损、耐腐蚀、一次元件长期运行稳定等优良性能，得到了用户的高度评价。

      3 天然气弯管流量计工作原理及基本参数

      3.1 工作原理

      流体流经弯管时，由于弯曲管壁的导流作用，其内侧流速会逐渐增大，外侧流速会逐渐减小。形成了各个过流断面的梯形速度分布规律，且在弯管45°截面处达到最大。在流出弯管侧流动过程相反。

      根据质量守恒定律、能量守恒定津和动量矩守恒定律，由于各质点流速的变化，就形成了弯管的内外侧压差△p。这个压力差在45°截面时达到最大，最稳定。流体平均速度v与压差△P符合平方比例关系，流量愈大，差压愈大。

     当弯管传感器的几何结构尺寸确定之后，只要测取弯管45°面的内、外侧压差△p和流体的密度ρ就可以确定流体的平均流速v。然后计算工况流量和标况流量。

      数学表达式：

      式中：

      3.2 基本参数

      管径范围：Ф10～Ф2000mm；量程比：10:1（100:1）；直管段要求：前5D后2D；准确度等级：0.5～1.0级；重复性：0.1%；流速范围（气体）：5～160m/s；温度：≤600℃；压力：≤32MPa；没有附加能量损失。

      4 天然气弯管流量计的系统组成及说明

      4.1 系统组成

      天然气弯管流量计由12个部分组成，如图2所示。传感器由数控机床精密加工而成，是核心部件；二次仪表精度高，具有组分输入和压缩因子计算功能；隔离器起到防堵的作用；隔离栅起到安全防爆的作用。

      4.2 系统说明

     （1）弯管传感器：是机加工而成几何精度很高的90°弯头。它是弯管流量计的核心部件。弯管传感器的内径D、曲率半径R、弧长L决定了弯管传感器的几何结构尺寸。而采用数控机床加工的弯管传感器，均可保证各项几何结构尺寸的高精度、流量计的准确度等级也提高到1.0级，这为弯管流量汁的批量投产、几何检定（干校）提供了坚实的基础。

      弯管传感器对微量的磨损和结垢不敏感，无需周期检定。因为微量的磨损对弯管传感器而言，使得内径D变大，同时弯径比R/D变小、根据原理中的公式，弯管流量计实现了自补偿，基本不影响测量精度；微量的结垢道理是一样的，因此弯管流量计对微量的磨损和结垢不敏感；对于特别脏得的介质，长时间运行造成D变小，只要定期清洗即可（可采用蒸汽吹扫方式）。

      根据弯管流量计原理及大量的实验数据表明，弯管传感器的量程范围非常宽，但受到差压变送器量程和精度的影响，一般确定其量程比为10:1；如果采用双差压技术，量程比可扩充至100:1。

      弯管传感器没有附加压力损失．是节能型的流量计。在高压天然气的计量中不会引起气体的节流降压，也不会造成工艺系统的憋压，这个优点对于低压天然气应用场合是非常可贵的。

      （2）隔离器：在油井采气和注气过程中，发现天然气中有较多的油性物质，易造成导压系统的根部阀堵塞，系统无法正常工作。为了解决这一问题，在弯管传感器取压部位加装隔离器，油性物质经过取压口进入隔离器沉积，不会影响系统取压，经过长时间运行后只需打开隔离器底部的排污阀，沉积物排除即可，经现场运行证明该方法方便可靠。

      （3）二次仪表：流量计必须具备完善的温度和压力的测量和补偿功能，才能满足天然气高准确度的计量需求，所以二次仪表的性能显得尤为重要；二次仪表的补偿运算中关键是天然气密度的计算，而天然气密度是由其组份和状态参数（温度、压力）确定的。天然气具有组份的多样性（受时间、地域、地层深度不同的影响）和不遵循理想气体状态方程的特点，在天然气密度的计算公式中压缩因子是温度和压力的函数，相比较其计算量最大、最复杂，因此计算天然气密度的问题实质上就转变为计算压缩因子的问题。弯管流量计二次仪表采用GB/T17747－1999（等效ISO12213：1997）的配套算法即AGA8－92DC算法计算压缩因子，此算法迭代程序复杂、耗时多。例如C语言程序在24MHz的MCS－51单片机中计算一个压缩因子数值约需8min。经过一系列优化后计算一个压缩因子也需要70s。因此弯管流量计为天然气计量配备了功能强大的二次仪表。当然，对于同一气源，组分相对稳定．压缩因子不需要经常计算。

      弯管流量计在大庆建立了14台弯管流量计的数据采集系统网，网络系统包括高性能的计算机和现场二次仪表、压缩因子的计算可由中央控制汁算机完成，这样就大大提高了整个系统的跟踪能力。

      5 国家天然气流量计量站检定结果

      检定工作在国家原油大流量计量站成都天然气流量分站进行．采用从美国CEESI引进临界流音速喷嘴次级标准装置检定，总精度为0.25%检定样品为DN100和DN200的天然气弯管流量计各一台。检定结论：准确度等级1.0级。

      5.1 检定结果图表分析 

表1   DN100天然气弯管流量计检定数据

      由表1可计算检定结果：基本误差为0.93%；流量计重复性0.07%；流量计相对示值误差0.90%。 

表2   DN200天然气弯管流量计检定数据

      由表2可见，检定结果：基本误差为0.99%；流量计重复性0.04%；流量计相对示值误差0.96%。

      5.2 检定结论

      （1）弯管流量计经过实流标定可以达到准确度0.5级（相对示值误差）。从检定的原始数据可以看出所有相对示值误差均为正值，且基本在0.53%至0.96%之间，说明存在一个系统误差，通过改变流量系数至原系数的0.9926，即可以保证±0.25%的相对示值误差，确定0.5级的准确度等级还有相当裕量（见图3、图4）。

      （2）弯管流量计不经过实流标定即可以达到准确度1.0（相对示值误差），所检定的两台弯管流量计检定前只采用几何检定法．检定中最大相对示值误差分别为0.90%和0.96%。

      （3）弯管流量计具有极好重复性。优于0.1%，两台弯管流量计检定结果重复性分别为0.07%、0.04%。

      6 感谢

      天然气弯管流量计作为天然气流量计量的一种新型产品，一出现就展示出了强劲的生命力。这里面凝聚了众多专家和领导的智慧和心血。在此一并感谢：感谢王池、谢纪绩、段慧明、郑琦、黄飞、王学文等同志在我们研究天然气弯管流量计工作中给予的支持和关注；感谢大庆采油六厂的全体同志给予的支持和信任；感谢华阳天然气流量检定站的同志们在我们的检定试验过程中给予的友情配合。