摘　要：差壓式(shi)孔闆流量計 目前(qián)仍是我國進行天(tiān)然氣流量計量的(de)主導流量計,截至(zhì)2025年12月氣田應用該(gāi)型流量計總量近(jìn)300套。SY/T6143-1996“天然💁氣流量的(de)标準孔闆計量方(fāng)法”标準中認爲,天(tian)然氣流量測量不(bu)确定度主♍要由3個(ge)方面引起:流量計(ji)算方程描述流動(dòng)狀态🧡真實性的不(bú)确定因素;被測介(jiè)㊙️質實際物理🌏性質(zhi)的不确定度因素(sù);測量中重要設備(bèi)的不确定💃度因素(su)。爲此,從以上3個方(fāng)面對差🈲壓式孔闆(pan)流量計進行了不(bú)确定度研究和實(shí)驗,包括流出系數(shù)、孔闆技術指标的(de)變化對天然氣流(liú)量的影響,可膨脹(zhàng)系數、二次儀表的(de)不确定度、天然氣(qi)組分🔱變化、天然氣(qì)含水💞對天然氣流(liu)量的影響🌍,并就這(zhè)些誤差因素分别(bié)從節流裝置🏃的選(xuǎn)擇、脈動流的改善(shan)👨‍❤️‍👨、規範各項規章制(zhì)度、建立量值溯源(yuán)體系等方面提出(chū)了建議。
　　我國 天然(rán)氣流量計 量目前(qian)仍以差壓式孔闆(pǎn)流量計爲主,僅氣(qì)田目前♋就👣有近300套(tao)。由于孔闆流量計(jì)的誤差影響因素(sù)較多,往往造成計(jì)量不确定度增大(da)。通過在氣田近幾(ji)年的使用💁與研究(jiū),在孔闆⛱️流量計的(de)誤差研究方面積(jī)累了一些使用經(jing)驗,提出了相應的(de)對策予以改善或(huò)消除,以期對同行(háng)有所裨益。
一、誤差(chà)來源分析
　　天然氣(qì)流量測量中的不(bu)确定度主要來源(yuán)于以下3個🐕方😄面:①流(liu)量計算方程中描(miáo)述流體流動狀态(tài)的真♌實性不确定(dìng)度因素;②被測💘介質(zhi)實際物理性質(物(wù)性因素)的❌不确定(dìng)度因素;③測量中重(zhòng)要設備的不确定(dìng)度因素。
針對以上(shang)3方面因素做具體(ti)分析如下。
1.流量計(ji)算方程中描述流(liú)體流動狀态的真(zhēn)實性
的不确定度(dù)因素
(1)流出系數C
計(jì)算公式爲:

(1)流出系(xi)數C是在上遊直管(guǎn)段充分長的實驗(yan)條件下,并且🈲孔闆(pǎn)節👉流裝置在滿足(zú)規定的技術指标(biāo)下進行校🌍準标定(dìng)的,才具有計量特(tè)性。
當氣流流束在(zai)孔闆前1D處完全充(chong)滿管道,且爲紊流(liu)✌️狀态時🔞,流出系數(shu)C的百分誤差爲:

設(shè)有一套法蘭取壓(ya)的孔闆測量裝置(zhi),D=50mm,設計β=0.5刻度流量時(shi)的ReD0=1×106,設ReD1=2×104、ReD2=5×104、ReD3=1×105、ReD4=1×107、ReD5=1×108、ReD6=1×108,經過查表或(huò)計算得出C0=0.6034;C1～C6見表1,δ=(Ci-C0)/C0。

(2)由(you)上例可以看出:當(dāng)速度剖面較充分(fen)發展的速度剖💃🏻面(mian)尖時(雷🌍諾數小),流(liu)出系數會變大,當(dang)速度剖面較充分(fèn)發展的速度❄️剖面(miàn)平時(雷諾數大),流(liu)出系數🐕會變小。流(liú)出系數C随着流量(liàng)的增大而減小,實(shi)際流量越小于刻(ke)度流量,則流出系(xì)數C引起的流量誤(wu)差🧑🏽‍🤝‍🧑🏻會越大。
(3)孔闆流(liu)量計的流出系數(shu)C不是一個固定值(zhí),它随雷♊諾數的變(biàn)化而變化,但是當(dang)雷諾數增大到某(mǒu)一數🔞值時,變化量(liang)減小。對于法蘭取(qǔ)壓,雷諾數應該在(zai)106以上,對于角接取(qǔ)壓,雷諾數應在2×105以(yǐ)上。
流量測量不确(que)定度中和流出系(xi)數有關的相關項(xiàng)爲孔闆開孔直徑(jing),大小爲δd/d=±0.07%,測量管直(zhí)徑,大小爲δD/D=±0.4%,β值允許(xu)0.75≥β≥0.2。據公式計算出C的(de)變化範圍爲:±0.0197%～±0.1791%。
2.孔闆(pǎn)粗糙度、銳利度、平(ping)整度的影響
　　SY/T6143-1996對孔(kǒng)闆的直角入口做(zuò)了嚴格的規定,即(ji):無卷口、無毛🌐邊、無(wu)目測可見的異常(cháng)現象,并且是尖銳(rui)的直角,若邊🙇🏻緣形(xíng)成圓弧,其圓弧半(ban)徑rk≤0.0004d,孔闆開孔内圓(yuán)柱面與孔闆❤️上遊(you)端面垂直🐕,誤差小(xiao)于±1°,粗糙度高度參(can)數Ra≤0.0004d,且不影響尖銳(ruì)度測試。
　　對于孔闆(pan)性能對流量的影(yǐng)響,做過相應的對(duì)比試驗:分别📐取DN100mm的(de)♋标準孔闆,編号爲(wei)GKF75761,經檢測其rk爲0.05mm(允許(xǔ)值小于🏃🏻‍♂️等于0.04mm),GKF78790其粗(cū)🐉糙度高度參數爲(wèi)Ra爲45μm(允許值小于等(deng)于40μm)。編号🛀🏻爲GKF75007的各✏️項(xiang)指标均符合㊙️要求(qiu)的‼️孔闆進行一相(xiang)對穩定的氣流測(ce)量,測試中将不符(fu)合規格孔闆放在(zài)氣井單量裝置,标(biāo)準🔴孔闆放入氣井(jing)外輸裝置⚽,忽略裝(zhuang)置之間的差異,某(mǒu)單井一天天然氣(qì)流量測試結果見(jian)表2。實驗表明,忽略(luè)氣流的微小波動(dong),對于📱rk超㊙️差的不合(hé)格孔闆其計量誤(wu)差範圍爲😘-2.81%～3.14%,Ra超差的(de)不合格孔闆計量(liang)誤差爲-2.58%～2.72%,若rk、Ra超差嚴(yan)重則氣量偏💋差更(geng)大,甚至可達到10%。

3.被(bèi)測介質實際物理(li)性質的不确定度(dù)因素
(1)标準中要求(qiu)流經天然氣的流(liu)體爲氣流必須是(shì)單相的牛頓流體(ti)。若氣體含有質量(liang)分數不超過2%的固(gù)體或液體微粒,且(qie)呈均勻分散狀态(tài),也可被認爲是㊙️單(dān)相的牛頓流體。
　　在(zai)實際使用中,從井(jǐng)口到計量管線的(de)過程中,天然氣通(tong)☁️常攜🆚帶一定量的(de)水、脫水劑和凝結(jie)液。這些液體來自(zì)分離效果差的分(fen)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼離器和負荷大的(de)脫水單元,當流動(dòng)溫度和壓力變化(huà)時,氣體中💛的重烴(ting)組分也會凝析✔️出(chū)來。
　　實驗爲将經過(guo)标準 渦輪流量計(jì) 計量的天然氣在(zài)通過注水管注水(shuǐ)後用 孔闆流量計(ji) 進行計量。其結論(lùn)爲:①用孔闆流量計(jì)測量氣體流量,當(dāng)氣體中夾帶少量(liàng)液體時,流量測量(liang)不确定度偏高,測(cè)量的濕氣流量随(sui)β的增加而減少,在(zài)β比爲0.7時,測得的流(liu)量偏差爲-1.7%;②當夾帶(dài)少量液體時,在β比(bǐ)爲0.5時表明孔闆性(xing)能較好,但是應将(jiang)夾帶液體在📞孔闆(pǎn)上遊脫出,以獲得(de)最佳的計量性能(néng);③用舊的孔闆流量(liàng)計測量濕氣,流量(liang)計量值将降低3%。
　　這(zhe)項研究結果說明(míng),天然氣在進入計(jì)量裝置以前,如果(guǒ)要獲得非常好的(de)計量性能,應完全(quán)脫除天然氣中所(suǒ)含🏃‍♂️的水分,對🌈于日(rì)處理氣量近百萬(wàn)立方米的集氣站(zhàn),這一點非常重要(yao)。
2)可膨脹系數(ε)

式中(zhōng):κ表示等熵指數。
　　可(kě)膨脹系數的百分(fen)誤差爲:(±4Δp/p1)%。由于誤差(chà)系數的影響🍓,如被(bèi)測系統壓力低到(dao)4Δp/p1可以和β比較,被測(cè)系統壓力将直接(jie)影響到測試正确(què)率。當被測系統壓(ya)力爲高壓系統時(shi),可以㊙️忽略該項誤(wu)差🔞。目前在天然氣(qì)計量🌈中差壓一般(ban)在500～50000Pa範圍👈内,靜壓在(zai)1～10MPa範圍内。因此ε的誤(wù)差♍最小爲±0.0002%,最大爲(wèi)±0.2%(甚至會更大)。
(3)天然(rán)氣相對密度的影(ying)響
　　密度參數是天(tiān)然氣測量中極爲(wèi)重要的物性參數(shu),密度測量👄的🔅不确(què)定度對整個測量(liàng)系統的不确定度(du)有着很大影響,目(mù)🐪前國内普遍采用(yòng)測量氣流壓🈲力、氣(qì)流溫度和定時取(qǔ)樣得到氣流全組(zǔ)分,由于壓力溫度(du)的波動,天然🈲氣的(de)相對密度并不🥰是(shì)一個固定值。密度(dù)不确定度估算公(gong)式爲:

　　根據計量條(tiáo)件估算密度帶來(lái)的不确定度:當儀(yi)表精度💞較低且運(yun)行在下限時,不确(què)定度爲±1.818%;反之不确(què)定度則在±0.793%,由此可(kě)見密度在流量測(ce)量中至關重要💞。所(suǒ)以爲了準确進行(hang)天然氣計量,選用(yong)在線氣相色譜儀(yí)進行組分在線分(fèn)析是十分必要的(de)。氣田在向♈北京、陝(shǎn)西、甯夏以及西氣(qì)東輸供氣的外貿(mao)計量裝置上均采(cai)用了在線色譜,平(ping)均5min采樣分析一次(cì)⁉️,能夠及時檢測到(dào)組分的變化情況(kuàng),提高了計量精度(dù)。
4.測量中重要設備(bèi)的不确定度因素(sù)
　　該項不确定度因(yīn)素主要體現在孔(kǒng)闆β比選擇方面、還(hái)👅包括二💚次🔞儀表的(de)不确定度:
(1)β比選擇(zé)
　　根據SY/T6143-1996中的體積流(liu)量不确定度公式(shì)爲：

據式(4)可以計算(suan)出直徑比β與流量(liàng)不确定度δQn/Qn的關系(xi)如表3所♍示。

　　由表3可(kě)以看出,當其他參(can)數不變的情況下(xià),直徑比β的變💋化對(dui)測量不确定度的(de)影響是很大的,現(xiàn)場應用中,操作人(ren)員常根據氣📱量的(de)變化來更換不同(tóng)内徑的孔闆來滿(mǎn)♉足使用要求,此時(shi),直徑比成了影響(xiang)正确率的主要可(kě)變因素。β與流量測(cè)量綜合不确定度(du)的關系如⚽圖1所示(shi)。結論爲:不确定度(dù)基本随着β增減而(ér)增減,當β小🧑🏽‍🤝‍🧑🏻于0.6時,不(bú)确定度🏃‍♂️的變化很(hěn)小,基🍓本爲💃一條直(zhi)線;随着β的增大,不(bu)确定度迅速增大(da),當β=0.75時,不确定度達(dá)到最大。
(2)二次儀表(biao)的不确定度
　　由于(yú)目前天然氣計量(liang)大多采用計算機(jī)智能化數據采集(jí)、數據處理A/D轉換精(jīng)度高,量化誤差的(de)影響可以忽略,差(cha)壓、壓力、溫度的測(ce)量由于大量精度(dù)智能化變送器的(de)應用使二次儀表(biao)對整個🚶流量系統(tǒng)的誤差成爲了非(fei)主要影響因素。

1)壓力儀表測量誤(wù)差:主要由壓力測(cè)量儀表的精度引(yin)起(儀表正确率受(shòu)溫度變化影響)。采(cai)用3051T型變送器在5.0MPa工(gōng)作,溫👈度變化在30℃左(zuo)右。
溫度影響:±0.15%;
　　最終(zhong)精度爲:ζ=±0.225%(儀表校驗(yan)誤差爲±0.075%)。
2)差壓儀表(biao)測量誤差:主要由(you)儀表精度、儀表安(an)裝位置📱、導壓管引(yin)起。采用3051CD型變送器(qì)在5.0MPa工作,溫度變化(huà)在🌐30℃左右。
溫度影響(xiǎng):±0.075%;
　　靜壓力影響:±0.15%;
　　安裝(zhuāng)位置可通過零點(diǎn)調整予以消除。
　　其(qi)最終精度爲:ζ=±0.30%(儀表(biǎo)校驗誤差爲±0.075%);
　　導壓(yā)管引起誤差爲:±0.2%;
　　總(zǒng)體差壓誤差爲:±0.36%。
3)溫(wen)度儀表測量誤差(chà):主要由儀表精度(dù)和安裝位置正🔴确(que)性影響。
溫度儀表(biao)精度爲:ζ=±0.5%。
　　安裝位置(zhi)的影響在标準規(gui)定範圍内忽略不(bú)計。
(3)計量條件下天(tian)然氣流量測量的(de)不确定度假定流(liu)量測量裝置💛爲理(li)想狀态,已知條件(jiàn):天然氣外輸測量(liàng)管D20=205mm;d20=103.76mm;p=4.50MPa;Δpmax=54kPa;溫度計上限爲(wei)50℃,正确率爲0.2級,壓力(lì)、 差壓變送器 正确(que)率爲0.1級。據式(4)則有(you)不确定度爲:

二、控(kong)制誤差提高計量(liàng)正确率的方法
　　因(yīn)爲天然氣流量測(cè)量計算的不确定(dìng)度是在其他影☔響(xiang)因素都不存在附(fù)加誤差的情況下(xià)計算得到的,但是(shi)使用中由于各種(zhǒng)原因會帶來一定(dìng)的附加誤差,這㊙️是(shi)需要消除的🌂。根據(jù)實際應用情況,提(tí)出以下控制方🐅法(fǎ)及建議。
1.孔闆節流(liú)裝置必須符合标(biāo)準
　　孔闆節流裝置(zhì)在使用前的安裝(zhuāng)中應按照标準安(ān)✉️裝設計,根據孔闆(pan)前阻力件形式配(pei)接足夠長度的直(zhi)管段,一☎️般應至少(shao)前30D,氣田在開發初(chu)期部分集氣🐪站因(yin)爲設計原因流量(liang)計直管段長度爲(wei)前10D後5D,造成💛天然氣(qi)計量輸差達到±5%～±8%,分(fèn)析原因後經過🐪技(ji)術改造,計量管段(duan)改爲前30D後10D,使計量(liang)輸差降低💞到±1.5%。
2.氣流(liu)中存在脈動流的(de)改善措施
　　天然氣(qi)從地層中采集後(hou)經節流、分離、淨化(huà)後一般能達到🐅均(jun1)勻❄️單相的牛頓流(liú)體,在天然氣計量(liàng)中由于各種原因(yīn)使天然氣脈動,可(ke)以采取以下措施(shī)減小脈動流的影(ying)響。
(1)在滿足計量能(néng)力的條件下,應選(xuan)擇内徑較小的測(ce)量管,使☀️Δp、β在比🔱較高(gāo)的雷諾數下運行(háng)。
(2)采用短引壓管線(xian),盡量減少引壓管(guan)線系統中的阻力(lì)件,并🍉使上下遊管(guǎn)線長度相等,以減(jiǎn)少系統中産🌍生諧(xie)振和💰壓力脈動振(zhen)幅的增加。
(3)從管線(xian)中除去遊離液體(ti),管線中的積液引(yin)起的脈動可以采(cai)用自動清管系統(tǒng)或低處安裝分液(yè)器來處理。
爲使天(tian)然氣具有最佳的(de)計量性能,應将天(tian)然氣中的水分徹(chè)底脫出。
3.加強計量(liàng)管理、建立健全各(gè)項規章制度
　　嚴格(gé)貫徹執行SY/T6143-1996标準,确(que)保裝置完全符合(he)标準的技🤟術要求(qiu)。建立👉健全各項規(guī)章制度,如定期維(wei)護制度、周期送檢(jian)制度,加強對天然(rán)氣生産情況的監(jian)測,及時消除誤差(cha)。
　　在差壓式孔闆流(liu)量計日常使用過(guò)程中,要确保準确(que)🔆的🐕計量,還🌈應至少(shao)每月一次清洗檢(jian)測孔闆、檢查⛷️儀表(biao)零點、儀表D/A轉換通(tong)道、核對流量計算(suan)程序,對有坑蝕及(ji)劃痕的😍孔闆應及(ji)時更換。氣田根據(jù)氣質的⛹🏻‍♀️淨化程度(du),規定集氣站每月(yue)清洗檢查一🙇‍♀️次孔(kǒng)闆,貿易交接計量(liàng)孔闆每半月🈲和用(yòng)戶一起檢查清洗(xi)一🈲次,同時還配備(bèi)孔闆綜合測試👈儀(yí)定期對孔闆進行(háng)🐆幾何尺寸檢定,使(shi)集氣站單井計量(liàng)輸差能有效控👅制(zhì)在±1.5%以内,貿易計量(liang)輸差在±1.0%以内。
4.量值(zhi)溯源是确保天然(rán)氣計量正确率的(de)有效措施
(1)當孔闆(pǎn)節流裝置的一次(cì)裝置設計、制造、安(ān)裝、檢驗和使用完(wán)全符合SY/T6143-1996标準中1～7章(zhāng)的全部技術要求(qiu)時,即✉️可達到幾☀️何(he)和流體☂️力學相似(si),在此基礎上可以(yi)執行單參數溯源(yuán)🈚,節流裝置部分用(yòng)長度标準進行幾(ji)何尺寸幹檢,壓力(li)、溫🔴度、時間或氣樣(yàng)分析用各自的❌标(biāo)準器具或🈲标準樣(yàng)氣進行檢驗,并将(jiāng)标準器與國家基(ji)準建立溯源鏈。
(2)對(duì)用于貿易計量的(de)孔闆流量計量裝(zhuāng)置,建議流量計投(tou)入使💰用前或使用(yòng)一段時間後,進行(háng)實流檢定或校準(zhǔn),以♉保證一次儀表(biao)的正确率。
(3)天然氣(qi)組成分析應采用(yòng)GB/T13610規定的方法進行(háng),标準氣體👄應選擇(zé)經國家質量技術(shù)監督局考核合格(ge)的、有合格證并标(biao)有💚不确定度🏃的标(biāo)準氣體,标氣正确(que)率應不低于二級(ji)标準氣體(2.0%)。在條件(jian)許可的條件下,應(ying)開展天然氣在線(xiàn)組成分析和物性(xìng)參數🌍的在線測定(ding)。
三、結束語
　　客觀地(di)講,在采用孔闆流(liu)量計測量天然氣(qi)流量時,如果👣對差(chà)壓♋式孔闆流量計(ji)的一次裝置(孔闆(pan)節流裝置)和二次(ci)儀表(差壓、靜壓、溫(wen)度、天然氣物性參(can)數計量器💘具等)配(pèi)套儀表的選擇、設(she)計、安🛀🏻裝、使用都嚴(yan)格按照有🐇關标準(zhun)進行,并在受🔞控狀(zhuang)态下使用時,其流(liú)量測量正🔴确率是(shì)可以控制在±1%～±1.5%範圍(wéi)内的。

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