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提高标准孔板流量计计量精度研究

作者:杨经理 来源:西安三联测控 2017-03-06 浏览量:934
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目前天然气的计量在我国以体积计量为主并且以孔板差压式流量计作为计量天然气流量的主要手段具有结构简单、制造容易安装、使用和维护都很方便可靠性高的特

0 引 言

  目前天然气的计量在我国以体积计量为主并且以孔板差压式流量计作为计量天然气流量的主要手段具有结构简单、制造容易安装、使用和维护都很方便可靠性高的特点。

  但是自30年代起广为应用的机械式的双波纹管差压计由于检测精度低(0.1级)、人工取值、计算烦琐、不能远传、不便管理后来的差压、压力、温度三笔记录仪方案也需要人工通过求积仪取值计算而且记录仪也是机械式的精度不高(0.5级)。随着微电子技术和计算技术的发展可以通过采用专用流量计算机或流量计量系统来克服机械式计量方式以及孔板计量本身的量程比较小、检定周期短、维护环节多、准确度低的弊端同时也可以尽量减少各种非正常因素对计量精度的影响。

  下面本文从采用新型变送器、相关参数的在线实时补偿技术/算法、非正常情况的在线补偿三个方面对采用SY/T6143-1996标准进行天然气流量计量时如何提高精度加以论述。并以某天然气配气站计量系统为例加以对比说明。

  1 测量原理及数学模型

  天然气流过节流装置时流束在孔板处形成局部收缩从而使流速增加静压力降低在孔板前后产生压降。气流的速度越大孔板前后产生的差越大从而可通过测量压差来衡量天然气流过节流装置的流量大小。天然气标准体积流量计算公式为:

式中Qn—标准状态下天然气体积流量m3/s

  As—秒计量系数视采用计量单位而定

  C—流出系数

  E—渐进速度系数

  d—孔板开孔直径mm

  FG—相对密度系数

  ε—可膨胀性系数

  FZ—超压缩因子

  FT—流动温度系数

  P1—孔板上游侧取压孔气流绝对静压Mpa

  △p—气流流经孔板时产生的差压Pa

  2 提高精度的方法/算法

  (1)采用新型变送器

  传统的机械式(准确度一般为1.5%)差压流量计精度不高流量与差压信号的平方根成正比例关系。根据标准如差压精度为1.0%差压仪表信号为量程的10%则不确定度为

  当差压信号小于10%时不确定度更大。反之由于微处理器技术引入变送器测量精度得到了极大的提高。目前的智能变送器(如 YOKOGAWA、FISHER-ROSEMOUNT、HONEYWELL等公司)的精度均优于0.1%经开方后输出信号4~20mA仍保持在 0.1%的精度。按照式(2)在差压仪表信号为量程的10%时得出的不确定度为

  显然采用智能变送器在同等情况下大大降低了不确定度或在同一不确定度时大大地延伸了差压信号的使用极限范围。假如仍然保持在3.33%的不确定度的情况下差压极限范围则可达到满量程的1%。

  如果直接采用智能变送器的数字信号的话则在整个信号量程范围内可有效地消除4~20mA信号变换所产生的误差进一步提高全量程范围的测量精度。此时不确定度按照标准(△P为△Pmax的90%时)等于

  (2)引入相关参数的在线实时补偿技术/算法

  我们通常所说的温度、压力、差压的补偿求积仪或流量积算仪一般也仅对FT、PI、△P等项进行补偿通常将C、ε、FZ、孔板、管道、气质等参数当作常数来处理。但实际工况与设计工况存在着差异如不进行这些参数的实时在线补偿将导致计量的不准确。

  a)流出系数C

  以标准孔板节流件的角接取压为例C与管径随雷诺数ReD有下面的关系

  从(4)式得知在ReD小到一定的数值时C有较大的变化因此必须对C加以修正以便提高系统精度和扩大测量范围。

  ReD计算的实用公式:

式中:Qn—标准状态下天然气体积流量m3/s按式(1)计算

  Gr—天然气的真实相对密度

  μ1—流动状态下天然气的动力粘度mPa·S

  D—流动状态测量管内径mm

  由式(1)、(3)、(4)得知Qn=f(C)而C=f(ReD)又ReD=f(Qn)这是一个套循环函数的过程可以采用牛顿迭代法求解。先假设初始ReD=106再根据(4)、(2)、(5)依次循环计算出C、Qn、ReD直到两次的C的相对误差小于某一数值(如5×10-10) 时将最后一次的C代入式(2)得出逼近流量值用以作为实测流量值。

  b)可膨胀系数ε

  当气体流经孔板时由于流速和压力的改变而伴随着密度的变化为适应此种变化以修正因假设密度等于常量而对流量引起的偏差因此必须加入一个系数该系数称作膨胀系数ε。ε值按下面经验公式计算:

  可见一副孔板的ε取决于差压(△P)、静压(P1)和等熵指数(κ)。

  c)超压缩因子FZ和相对密度系数FGFZ是对实际气体特性偏离理想气体定律的修正它与温度、压力和气体的成分有关。适用条件是:天然气以甲烷为主加上乙烷和重烃且真实相对密度Gr 0.75N2和CO2气体的摩尔分数不超过0.15。在必须进行精确计算时应当采用在线天然气全组分分析仪进行计算。

  由于在线分析仪价格昂贵因此一般通过计量系统的人机接口来输入气体成分以便尽可能地适应气质的变化实际工程应用中气质参数的改变一月一次。对FG的修正也是如此。

  d)流动温度系数FT

  FT是天然气流经节流装置时气体的平均热力学温度偏离标准热力学温度(293.15K)而导出的修正系数其计算公式:

  假定流体温度在冬天和夏天的温度变化范围为5~35℃如不修正将对FT带来大约±2.5%的误差。

  e)孔板尖锐度系数bk和管道粗糙度系数rRe

  由于天然气中的少量腐蚀成分无论如何都会对孔板及其管道产生不同程度的腐蚀、冲刷因而将直接影响到孔板入口边缘的锐利度和管道的粗糙度使它们偏离标准的要求从而影响流量的准确测量。当产生这种情况推荐更换孔板和测量管。如继续使用可计算出bk和rRe对原流出系数C乘上bk或rRe加以修正后再使用。

  当孔板开孔直角入口边缘圆弧半径rk 0.0004d(d为孔板内径)时应当引入bk对C加以修正。rk可以实测或按照前苏联使用的年限t与rk的经验公式(7)获取或按照规定实测得到然后再根据标准分段内插取值bk。

  修正系数rRe随测量管内壁相对粗糙度K/D(K为绝对粗糙度mm)和管径随雷诺数ReD而变化其值按下式计算:

  当ReD 106时rRe=γ0。γ0与直径比β和粗糙度K/D的倒数有关其值经分段内插获取。实际应用输入孔板的使用年限/实测rk和管道绝对粗糙度即可自动修正。

  (3)非正常情况的在线实时补偿算法

  非正常情况主要指除SY/T6143-1996标准未涉及到的其它情况如信号超限、仪表检定/修、清洗孔板、系统掉电、时钟不同步、人工补偿以其它不可预料的情况等。

  a)信号超限

  由于智能压力、差压变送器具有超量程输出能力在设定量程的-5%~110%范围内信号输出呈线性;超出此范围则输出故障信号-3.2mA和 21.6mA。据此在故障信号出现时用该时刻前一段时间(如2分钟)的平均值-x代替故障信号值x用式(9)来表示直到信号恢复正常为止。

  b)仪表检定/修

  用于计量的仪表(如配电器、变送器等)按规定必须定期检定/修此时对应回路的检测信号进入自动补偿状态补偿算法同(9)式在检定/修完后回复到正常计量状态。

  建议仪表检定/修和下面所讲的孔板清洗/更换在气流比较稳定的情况下进行尽可能减少补偿误差。

  c)孔板清洗/更换

  按规定孔板必须定期清洗检查是否符合要求以及修正孔板的参数(尖锐度系数bk)或则更换不同尺寸的孔板以满足不同的流量需求。在孔板清洗/ 更换期间一方面按照算法(9)式进行补偿另一方面由于取出孔板后天然气流动时不再被节流流动情况发生变化此时仅按式(9)算法补偿已经不再合适还必须附加另外的修正系数。根据经验该系数一般取值1.0~1.6之间。

  d)系统掉电

  对系统掉电期间漏计的流量进行补偿的一般方法是取掉电前和上电后一段时间(如2分钟)的流量匀值-f1和-f2再乘以掉电时间△T作为漏计量的流量△fT如式(10)所示。

  为了掉电补偿尽可能地接近实际生产一般对掉电时间有一定的限制如△T 4小时自动补偿超出时间限制不宜继续使用需人工根据经验进行补偿。

  e)时钟同步

  为了提高系统的可靠性该计量系统采用积算单元和上位管理计算机两级方式由于两者时钟的不同步(也便于校准)采用计算机时钟作为基准按照约定的方式对积算单元进行时钟同步。补偿算法如下:

式中Terr为二者同步时刻时钟差-f为该时刻之前一段时间(如24h)的流量均值△fSYNC为时钟同步补偿流量值。

  计算出△fSYNC后在原有流量基础上减去该值即可。

  f)人工补偿

  上面所述的a)~e)项并不能完全包含十分复杂的非正常情况因此必须按规定进行合理的人工补偿。

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