孔板流量計在普光氣田的應用與誤差分析
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量中選用的流量計量儀表采用的是孔板流量計。本文說明孔板流量計在普光氣田的使用情況，并針對存在的計量問題進行了分析。
1.孔板流量計的計量原理：
孔板流量計是基于流體流動的節(jié)流原理，以能量守衡和流動連續(xù)性方程為基礎，利用流體流經(jīng)節(jié)流元件時在其前后產(chǎn)生壓差，而此差壓值與流量平方成的正比關系來計算流量的。
（1）差壓法測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，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)點以偏轉(zhuǎn)一個角度向孔口流動，形成了流束的局部收縮。
由于流體運動的慣性，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***大，壓力較低。此后，流束又逐漸擴大，壓力逐漸恢復升高，直到流體充滿整個管道，壓力恢復到***大值。但孔板后的壓力并沒有恢復到原來的數(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大所產(chǎn)生渦流呆滯現(xiàn)象所造成的。對于天然氣而言，在標準狀態(tài)下天然氣流量的實用計算公式為：
式中：qn——標準狀態(tài)下天然氣體積流量，單位為立方米每秒（m3/s）；As——秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定，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——相對密度系數(shù)；ε——可膨脹系數(shù)；FZ——超壓縮因子；FT——流動溫度系數(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)孔板時產(chǎn)生的差壓，單位為兆帕（MPa）。
孔板流量計是應用***為廣泛、***為普遍的壓差式流量計?？装辶髁坑嬘扇糠纸M成，即將被測流體的流量變換成差壓信號的節(jié)流裝置。其中包括節(jié)流件孔板和取壓裝置；傳輸差壓信號的管路；測量差壓值的差壓變送器及顯示儀表。
孔板流量計按照是否可以帶壓更換孔板，分為一體式孔板流量計和孔板流量計（孔板閥）。優(yōu)點：原理簡明，結(jié)構簡單，應用技術成熟，容易掌握；適應性強，可實現(xiàn)在線更換、清洗、檢查孔板；性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長；孔板為標準節(jié)流件，不需要標定。 缺點：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%，流量計量儀表采用的是孔板流量計，由孔板閥、FLOBOSS103 流量計算機及過程連接件組成。
1.普光氣田酸氣外輸采用是丹尼爾孔板閥，采用的檢測元件是標準孔板節(jié)流裝置，該裝置設有上、下兩個密封腔，以及滑閥部件，其密封性能可靠，可實現(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，閥板和閥座采用 316L 材質(zhì)，設有注脂輔助密封結(jié)構，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，設有密封脂注入機構。下閥腔與孔板上游連通，當孔板閥正常工作時，滑閥關閉，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，從而增強其密封性。
孔板閥底部設有排污閥，用于定期吹掃排除閥內(nèi)污物雜質(zhì)。上閥腔亦設置有放氣孔，可接一開關，排出上閥腔內(nèi)介質(zhì)。
2.普光氣田地面集輸系統(tǒng)選用的流量計算機為艾默生的 FLOBOSS 103 流量計算機，集成差壓、靜壓雙變量變送器、RTD溫度變送器和流量計算功能為一體。FloBoss 103 檢測孔板兩側(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量值，同時也可通過標準的 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測量差壓。同時利用壓阻和硅傳感器技術檢測靜壓，測量的過程值、穩(wěn)定和可重復性好。其專用微處理器使用存儲在存儲器中的特征化數(shù)據(jù)對原始傳感器信號進行線性化和校正。讀數(shù)存儲于 FloBoss103 的內(nèi)部模擬輸入點中，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)場流體溫度，測量范圍為 – 40℃ ～240℃ ，精度：± 0. 2℃。
3.過程連接件包括 2 個 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 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。取壓閥、五閥組和導壓管均采用哈氏合金材質(zhì)。
在普光氣田現(xiàn)場，各集氣站場單井計量、單站外輸計量及集氣總站外輸總計量均采取孔板閥配套差壓檢測儀表使用。