天然氣孔板流量的在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，主要分為瞬時(shí)量和累計(jì)量的計(jì)量?jī)蓚€(gè)方面，累積量計(jì)算是否準(zhǔn)確，是以瞬時(shí)量計(jì)算準(zhǔn)確性為前提的，在累計(jì)量計(jì)量中，計(jì)量時(shí)鐘必須準(zhǔn)確，即瞬時(shí)量和計(jì)量時(shí)鐘二者缺一不可。瞬時(shí)量計(jì)算準(zhǔn)確度校準(zhǔn)是依據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)的算法比對(duì)，

在20世紀(jì)初,孔板流量計(jì)應(yīng)用于天然氣流量測(cè)量,經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,它已成為*主要的天然氣流量計(jì)[1]。近年來,盡管出現(xiàn)了許多新型天然氣測(cè)量流量計(jì),如,超聲流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)等。但由于孔板流量計(jì)測(cè)量技術(shù)歷史悠久、應(yīng)用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)及價(jià)格低等特點(diǎn),且標(biāo)準(zhǔn)型孔板流量計(jì)可以無須校準(zhǔn)而確定信號(hào)(差壓)與流量的關(guān)系,并估算其測(cè)量誤差等特點(diǎn),在流量計(jì)中是惟一的。正是由于上述原因,在今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi),由于種種因素的制約,特別是標(biāo)定不能獲得妥善解決之前,孔板流量計(jì)仍是天然氣計(jì)量的主要儀表。
1　孔板流量計(jì)的測(cè)量原理
　　孔板流量計(jì)是根據(jù)安裝在管道中孔板產(chǎn)生的差壓、已知流體條件和孔板與管道的幾何尺寸來測(cè)量流量。它由孔板、差壓變送器和流量顯示儀組成。如圖1,當(dāng)流體流經(jīng)設(shè)置在管道中的節(jié)流件(孔板)時(shí),流束將在節(jié)流件處形成局部收縮。此時(shí)流速增大,靜差壓降低,在孔板前后產(chǎn)生差壓,流量愈大,差壓愈大,因而可根據(jù)差壓來衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以流動(dòng)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ),流量為[2]。
qm= C(1-β 4)- 1/2επ/[4d2(2Δpρ1)1/2],
　　式中,qm為質(zhì)量流量,kg/s;C為流出系數(shù)m3/s;ε為可膨脹形系數(shù);β為直徑比,β= d/ D; d為工作條件下節(jié)流件孔徑,m;D為工作條件下上游管道內(nèi)徑,m;Δp為差壓,Pa,Δp= p1- p2;ρ1為上游流體密度,kg/m3。

2　新型孔板流量計(jì)的特點(diǎn)
　　由孔板流量計(jì)的測(cè)量原理可知,流量與差壓為平方根關(guān)系,如果壓差降低到原差壓的1/9,則流量將減小到原流量的1/3,這樣,對(duì)于一個(gè)差壓上限固定的差壓變送器來說,其測(cè)量精度是下降了,這就是傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的量程比大為4∶1的原因。在石油天然氣鉆采工程領(lǐng)域,天然氣的流量,物性參數(shù)等會(huì)隨年份不同,工況條件不同有很大差異,采用傳統(tǒng)孔板流量計(jì)測(cè)量存在測(cè)量范圍窄,測(cè)量精度低,需在工況變化時(shí),更換不同的孔板元件等缺點(diǎn)。近年來,隨著微電子技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),新材料,新工藝的迅速發(fā)展,差壓變送器和流量計(jì)已大大提高其性能及可靠性,儀表廠家相繼開發(fā)了一些寬幅一體化智能孔板流量計(jì),對(duì)原有的孔板流量計(jì)做了很大改進(jìn)。
a)　流量測(cè)量范圍擴(kuò)展方式改進(jìn)　在石油天然氣測(cè)量中,對(duì)流量變化大的場(chǎng)合,傳統(tǒng)做法是同時(shí)配備多塊β值不同的孔板或并列幾臺(tái)流量計(jì)。新型智能孔板流量計(jì),如,日本SONIC公司開發(fā)的孔板流量計(jì),其流量比的范圍可在流量計(jì)算機(jī)上進(jìn)行選擇。流量計(jì)算機(jī)上除設(shè)有正常流量比外,還設(shè)有2個(gè)擴(kuò)展功能(如圖2),一是為了計(jì)量小流量,可將計(jì)量范圍擴(kuò)大到大可測(cè)流量的1/40,這種功能是在流量計(jì)算機(jī)上采用擴(kuò)展差壓分解功能系統(tǒng),不用更換孔板和差壓變送器就可完成;另一個(gè)擴(kuò)展功能就是大流量側(cè)計(jì)量范圍的擴(kuò)張,這是將差壓擴(kuò)大,從而使大流量側(cè)的計(jì)量范圍加以擴(kuò)大的一種系統(tǒng)。另外還有超寬幅范圍方式,量程比大可達(dá)1∶180,采用2臺(tái)差壓變送器,各自負(fù)擔(dān)著小流量范圍和大流量范圍的測(cè)量,各自獨(dú)立發(fā)信號(hào),流量計(jì)算機(jī)則把這些信號(hào)分成不同領(lǐng)域進(jìn)行變換選擇,并在各領(lǐng)域進(jìn)行演算,從而使超寬幅范圍在測(cè)量上也能保證較高的精度。雖然多投入了1臺(tái)差壓變送器,但是與并列2臺(tái)流量計(jì)的設(shè)備費(fèi)用相比,既提高了經(jīng)濟(jì)效益,又節(jié)省了來回切換的麻煩;與采用多塊孔板的方法相比,避免了孔板更換,降低了生產(chǎn)操作難度。
b)　孔板元件與二次儀表(差壓變送器及流量積算儀)一體化　傳統(tǒng)孔板流量計(jì)在應(yīng)用中,孔板與二次儀表分開,把差壓信號(hào)送到中控進(jìn)行流量計(jì)算,在流量變化較大的場(chǎng)合,還需配備多塊孔板,一體化流量計(jì)完*了這一不便,使孔板和二次儀表成為一體,省去了引壓管線,減少了故障率,改善了動(dòng)態(tài)特性,方便了安裝使用[2],且體積小,節(jié)約成本,無需現(xiàn)場(chǎng)更換孔板,只需設(shè)定量程比即可,操作方便,受到用戶的歡迎。

c)　自動(dòng)溫壓補(bǔ)償功能　孔板流量計(jì)的總精度為± 0.8%～ 5.0%[3],對(duì)孔板流量計(jì)來說,密度是影響流量計(jì)特性的主要參數(shù),而密度又是溫度、壓力的函數(shù),現(xiàn)場(chǎng)壓力溫度波動(dòng)是不可避免的,由此引起的物性參數(shù)的變動(dòng)是使用時(shí)產(chǎn)生附加誤差的主要原因之一,在高精度測(cè)量時(shí)應(yīng)特別注意。由于天然氣是可壓縮流體,受溫度、壓力的影響較大,為了保證精確度,常常采用溫壓補(bǔ)償。新型孔板流量計(jì)可將壓力和溫度信號(hào)直接送入現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)算機(jī),對(duì)流量進(jìn)行壓力和溫度變化時(shí)的自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算,并將精確的流量值送到中控。但須注意的是,*的儀表是沒有的,若補(bǔ)償方法不當(dāng),有累積這些儀表誤差的可能,增加了故障因素,所以,進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)須慎重考慮。另外,在某些場(chǎng)合,當(dāng)流體組分發(fā)生變化時(shí),就不能采用壓力、溫度補(bǔ)償,而應(yīng)采用密度補(bǔ)償[2]。
3　發(fā)展前景
　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,與傳統(tǒng)孔板流量計(jì)相比,當(dāng)今智能孔板流量計(jì)發(fā)展趨勢(shì)是一體化、高精度、寬量比的新型流量計(jì),并擁有補(bǔ)償功能完善的流量計(jì)算機(jī),具有強(qiáng)大的功能軟件,同時(shí)設(shè)有RS485標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)通信接口,可與DCS連接通信,對(duì)維護(hù)檢修提供了方便,在工業(yè)生產(chǎn)過程中方便實(shí)用。同時(shí),由于新穎的差壓變送器可同時(shí)測(cè)量差壓、靜壓和溫度,并經(jīng)計(jì)算單元作氣體壓力、溫度修正或測(cè)氣體質(zhì)量流量,減少了獨(dú)立的傳感器數(shù)量,簡(jiǎn)化管線工程,降低安裝費(fèi)用;減少管線開孔,降低潛在泄露點(diǎn)[4],提高整體可靠性,這些都為智能孔板流量計(jì)更好地應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)保證。天然氣作為流動(dòng)的氣體，其流量值是間接測(cè)量得出的。其測(cè)量值的準(zhǔn)確程度直接取決于所使用的計(jì)量設(shè)備及設(shè)備的整體安裝和使用。目前，我國天然氣計(jì)量可選用的流量計(jì)類型達(dá)到七八種以上，但在天然氣輸氣管網(wǎng)中使用的中高壓、大口徑流量計(jì)主要有超聲、渦輪流量計(jì)和孔板等。其中，孔板流量計(jì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、計(jì)量準(zhǔn)確度較高，成為我國天然氣傳輸過程中主要的計(jì)量方式，在全國各大油田均有應(yīng)用。在大慶油田，天然氣的儲(chǔ)運(yùn)傳輸過程中主要應(yīng)用孔板流量計(jì)?？装辶髁坑?jì)計(jì)量工作是大慶油田天然氣企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理中的一項(xiàng)重要技術(shù)基礎(chǔ)工作，是大慶油田的天然氣勘探開發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營的重要依據(jù)；也是企業(yè)內(nèi)部經(jīng)營管理、計(jì)算和考核各類設(shè)備的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，制定或調(diào)整遠(yuǎn)景規(guī)劃及年度規(guī)劃方面*的數(shù)據(jù)。
　　隨著科技發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)普及到了油田生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。大慶油田為了保證天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確性，減少天然氣輸送計(jì)量誤差，大量引入了天然氣計(jì)算機(jī)智能計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含現(xiàn)場(chǎng)使用的孔板流量計(jì)和處理該數(shù)據(jù)所使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。傳統(tǒng)孔板流量計(jì)檢定、校準(zhǔn)的方法一般都是安裝前對(duì)孔板流量計(jì)進(jìn)行檢定，而安裝后由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，不進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)。*，孔板流量計(jì)對(duì)安裝有很高的要求，不按照標(biāo)準(zhǔn)安裝的孔板流量計(jì)誤差非常大，特別是引進(jìn)了孔板流量計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其壓力、溫度、差壓等變送器信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生的電信號(hào)漂移，都可以對(duì)終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響，使系統(tǒng)安裝使用后的計(jì)量準(zhǔn)確性問題一直沒有得到相關(guān)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。為了給油田相關(guān)企業(yè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，為天然氣生產(chǎn)和銷售等相關(guān)單位提供準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)，大慶油田計(jì)量檢定測(cè)試所提出了天然氣孔板流量計(jì)在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法。
2特點(diǎn)
　　新開發(fā)了天然氣在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)，其工作原理是：通過研發(fā)一套多路過程智能校驗(yàn)裝置對(duì)天然氣系統(tǒng)的壓力、壓差、溫度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)天然氣的組分、天然氣輸送管道的材質(zhì)等數(shù)據(jù)分析計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)天然氣計(jì)量的在線實(shí)時(shí)檢定。圖1為天然氣流量智能校驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)。如圖所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一共分為三層，從上到下分別是工控機(jī)、信號(hào)調(diào)理板和接線盒，分別通過帶有BNC接口的導(dǎo)線相連接。整個(gè)工控機(jī)集成了控制器、多功能數(shù)據(jù)采集卡、便攜式觸摸屏和便攜式鍵盤，在外部體積上減少了空間，有利于天然氣計(jì)量的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。其中多功能數(shù)據(jù)采集卡可以分別作為外部差壓、壓力和溫度信號(hào)的輸入端，將接線盒與電流轉(zhuǎn)電壓信號(hào)板相連接，因此能夠得到外部信號(hào)的電壓信號(hào)，終送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過相應(yīng)軟件后臺(tái)計(jì)算出天然氣的具體流量。
　　天然氣孔板流量的在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，主要分為瞬時(shí)量和累計(jì)量的計(jì)量?jī)蓚€(gè)方面，累積量計(jì)算是否準(zhǔn)確，是以瞬時(shí)量計(jì)算準(zhǔn)確性為前提的，在累計(jì)量計(jì)量中，計(jì)量時(shí)鐘必須準(zhǔn)確，即瞬時(shí)量和計(jì)量時(shí)鐘二者缺一不可。瞬時(shí)量計(jì)算準(zhǔn)確度校準(zhǔn)是依據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)的算法比對(duì)，用多路過程智能校驗(yàn)裝置采用天然氣流量智能校驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量的結(jié)果與GB/T21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》附錄中所提供天然氣流量計(jì)算實(shí)例結(jié)果對(duì)比[1]，分析軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。在所有已知條件相同的情況下，靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

　　靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了多路過程智能校驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的正確性，符合GB/T21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》的要求。
　　時(shí)鐘的準(zhǔn)確性必須通過長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘的累積來驗(yàn)證準(zhǔn)確性。天然氣流量計(jì)算機(jī)（HC601）采用系統(tǒng)的硬件時(shí)鐘中斷來獲得，不受系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷的影響，每秒累積一次，非常精準(zhǔn)，因此能夠保證積累的準(zhǔn)確性。天然氣的靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的正確性和時(shí)鐘準(zhǔn)確性，通過多路過程智能校驗(yàn)裝置可以滿足天然氣的動(dòng)態(tài)計(jì)量基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)天然氣孔板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)。
3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
　　對(duì)某天然氣公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)某些孔板流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)靜態(tài)計(jì)量存在偏差較大，天然氣供應(yīng)單位一直同天然氣使用單位存在計(jì)量糾紛。經(jīng)過在線實(shí)時(shí)檢定，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)顯示的瞬時(shí)量計(jì)量和累計(jì)量計(jì)量都和標(biāo)準(zhǔn)存在誤差，經(jīng)過校準(zhǔn)問題得到了解決。測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

　　針對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)，按照某單位每年實(shí)際輸送300天計(jì)算，其每年少計(jì)量的天然氣量為19152m3。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備重新校準(zhǔn)調(diào)試，為企業(yè)的節(jié)能減排提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
4結(jié)論
　　天然氣孔板流量計(jì)在在線檢定校準(zhǔn)項(xiàng)目的開展能為天然氣生產(chǎn)及相關(guān)企業(yè)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，必將在天然氣生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮重大作用。