馬應(yīng)奎，蒲振東

1.中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)新疆有限公司 （新疆 烏魯木齊 830011）

2.中國(guó)石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司（新疆 烏魯木齊 830011）

天然氣計(jì)量影響因素定量分析

馬應(yīng)奎1，蒲振東2

1.中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)新疆有限公司 （新疆 烏魯木齊 830011）

2.中國(guó)石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司（新疆 烏魯木齊 830011）

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣計(jì)量體積公式的分析，推導(dǎo)出壓力、溫度和組分3個(gè)因素的測(cè)量誤差對(duì)天然氣計(jì)量體積影響的數(shù)學(xué)模型。借助計(jì)算機(jī)程序計(jì)算壓縮因子，進(jìn)而可得在工況下，壓力測(cè)量誤差為0.01MPa時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積計(jì)量誤差達(dá)到0.14%～0.15%；C6+組分測(cè)量誤差為0.01%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積計(jì)量誤差為0.017%～0.020%；溫度測(cè)量誤差0.01℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積計(jì)量誤差為0.006%。壓力、組分和溫度測(cè)量誤差導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積計(jì)量誤差數(shù)量級(jí)分別為10-3、10-4、10-5。建議實(shí)際工作中，應(yīng)重視對(duì)壓力變送器的檢查，綜合每一路計(jì)量撬的誤差，在滿足安全運(yùn)行的前提下，進(jìn)行精細(xì)化管理，優(yōu)先選擇基于計(jì)量誤差最小化的運(yùn)行參數(shù)。

超聲流量計(jì)；天然氣；流量積算儀；計(jì)量誤差

流量是天然氣生產(chǎn)集輸中重要的參數(shù)之一，流量測(cè)量值的準(zhǔn)確與否，將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和交接計(jì)量中雙方的經(jīng)濟(jì)利益[1]。氣體超聲波計(jì)量系統(tǒng)在天然氣計(jì)量交接中得到廣泛應(yīng)用，其在高壓力、寬管徑、大流量天然氣計(jì)量中的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)，并得到計(jì)量交接雙方的認(rèn)可[2]。超聲波流量計(jì)的工作原理是根據(jù)超聲波脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差來測(cè)量氣體流速，進(jìn)而計(jì)算工況下的氣體流量[3]。

1 超聲波流量計(jì)流量測(cè)量的數(shù)學(xué)模型

依據(jù)AGA 8[4]、AGA 9[5]和AGA 10[6]號(hào)報(bào)告，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積流量的計(jì)算公式見式（1）[7]。

式中：qn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h；qf為工作條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h；pn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對(duì)壓力，MPa；pf為工作條件下的絕對(duì)靜壓力，MPa；Tn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；Tf為工作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子；Zf為工作條件下的壓縮因子。壓縮因子的計(jì)算采用擴(kuò)展的維利方程[8]，見式（2）。

式中：B為第二維利系數(shù)；ρm為摩爾密度（單位體積的摩爾數(shù)）；ρr為對(duì)比密度為常數(shù)；為溫度和組成函數(shù)的系數(shù)。

由式（1）可知，影響計(jì)量結(jié)果的因素有工況下流量計(jì)讀數(shù)、壓力、溫度和壓縮因子。影響流量計(jì)讀數(shù)準(zhǔn)確性的因素包括流量計(jì)本身的誤差和流量積算儀的誤差兩方面，壓力的影響來自壓力變送器的誤差，壓力變送器對(duì)溫度變化敏感，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中常出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的計(jì)量準(zhǔn)確度。溫度變送器的測(cè)量一般較穩(wěn)定，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也常出現(xiàn)因其保護(hù)套管中存在金屬屑、沙子等雜質(zhì)，致使測(cè)溫元件無(wú)法及時(shí)與天然氣達(dá)到熱平衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度顯示值較天然氣實(shí)際溫度值偏低。壓縮因子是和壓力、溫度以及組分均相關(guān)的一個(gè)函數(shù)，在一般的輸氣條件下，天然氣的壓縮因子是隨重組分含量的增加而減小，隨壓力的增加而減小，而隨溫度的增加而增大[9]。管輸氣體的組分變化會(huì)對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確度造成影響由于流量計(jì)和流量積算儀的誤差在一定時(shí)期內(nèi)是設(shè)備固有的，因此可用復(fù)合函數(shù)（3）表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的計(jì)量體積和壓力、溫度及組分的函數(shù)關(guān)系：

壓力、溫度和組分各變量對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響因子可以用求導(dǎo)的辦法求出，分別對(duì)壓力、溫度和組分求偏導(dǎo)數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（4）～（6）。

由于壓縮因子Z的維利方程比較復(fù)雜，Z對(duì)壓力、溫度和組分的求導(dǎo)涉及比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，想求出標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的計(jì)量體積對(duì)壓力、溫度和組分的導(dǎo)數(shù)不是一件容易的事。為了避開維利方程的復(fù)雜計(jì)算，可以借助計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算出相應(yīng)Z值，根據(jù)導(dǎo)數(shù)的數(shù)學(xué)定義，進(jìn)行手工計(jì)算。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)計(jì)算

每個(gè)氣田所產(chǎn)天然氣組分及其配套前處理工藝相對(duì)固定，對(duì)應(yīng)計(jì)量站的天然氣的組分、壓力和溫度等工況參數(shù)也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)。某天然氣計(jì)量站長(zhǎng)期運(yùn)行參數(shù)的典型值如下：壓力7.85MPa，計(jì)量溫度夏季25.50℃、冬季15.50℃，天然氣組分如表1所示，使用的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為101.325kPa，20℃（293.15K）[10]。

表1 某計(jì)量站天然氣組分典型值

流量計(jì)工況下計(jì)量體積為1，根據(jù)式（1）分別計(jì)算當(dāng)壓力誤差為0.01MPa，溫度誤差為0.01℃和組分C6+誤差為0.01%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下qn的變化率。

2.1 壓力測(cè)量誤差對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響

在溫度和組分不變的情況下，壓力測(cè)量誤差Δp導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積發(fā)生變化，變化率θ可用式（7）計(jì)算：

如表1組分，在計(jì)量溫度分別為15.50℃和25.50℃，Δp為0.01MPa時(shí)，式（7）的計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2的計(jì)算結(jié)果可知，在計(jì)量溫度15.50℃，壓力為7.85MPa時(shí)，當(dāng)壓力誤差為0.01MPa，對(duì)最終標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的影響為0.147%；計(jì)量溫度25.50℃時(shí)為0.143%。

2.2 溫度測(cè)量誤差對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響

在壓力和組分不變的情況下，溫度測(cè)量誤差△T導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積發(fā)生變化，變化率φ可用式（8）計(jì)算：

如表1組分，在壓力為7.85MPa，ΔT為0.01℃時(shí)，計(jì)量溫度為15.50℃和25.50℃，式（8）的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3的計(jì)算結(jié)果可知，在壓力為7.85MPa，計(jì)量溫度為15.5℃，溫度誤差為0.01℃時(shí)，對(duì)最終標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的影響為-0.006 1%；計(jì)量溫度為25.50℃時(shí)其影響為-0.005 4%。

表2 不同計(jì)量溫度下壓力測(cè)量誤差對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的影響

表3 不同計(jì)量溫度下溫變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的影響

2.3 天然氣組分檢測(cè)誤差對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響

當(dāng)壓力和溫度不變，組分xi檢測(cè)誤差Δx導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的變化率ω可用式（9）計(jì)算：如表1組分，在壓力為7.85MPa，計(jì)量溫度分別為15.50℃和25.50℃，組分C6+檢測(cè)誤差為0.01%時(shí)，式（9）的計(jì)算結(jié)果見表4（根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，組分檢測(cè)的誤差可能常來源于對(duì)C6+組分的積分問題）。

從表4的計(jì)算結(jié)果可得，在壓力為7.85MPa、溫度為15.50℃時(shí)，C6+組分檢測(cè)誤差0.01%，對(duì)最終標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的影響為-0.020%；溫度為25.50℃時(shí)影響為-0.017%。

2.4 流量計(jì)讀數(shù)誤差對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響

流量計(jì)讀數(shù)的誤差主要來源于超聲流量計(jì)的誤差和流量積算儀的誤差，流量積算儀的誤差可以直接根據(jù)檢定/校準(zhǔn)證書獲得其示值誤差。超聲流量計(jì)可以根據(jù)檢定/校準(zhǔn)證書提供的流量計(jì)系數(shù)進(jìn)行修正，根據(jù)JJG 1030-2007超聲流量計(jì)檢定規(guī)程[11]的規(guī)定，獲得流量計(jì)的最大允許誤差。流量計(jì)使用過程中按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30500-2014[12]的規(guī)定進(jìn)行聲速核查，通過監(jiān)測(cè)流量計(jì)每一聲道信號(hào)的增益值、接收信號(hào)的百分比、信噪比標(biāo)，測(cè)量每個(gè)聲道的聲速值、剖面系數(shù)、對(duì)稱性等參數(shù)，依據(jù)這些信號(hào)參數(shù)，能夠判斷出流量計(jì)的工作狀態(tài)，對(duì)使用過程中超聲流量計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)[13]?？梢岳眠h(yuǎn)程診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)聲速核查等自診斷功能[14]。

表4 不同計(jì)量溫度下組分C6+檢測(cè)誤差對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積的影響

2.5 綜合誤差

根據(jù)前述計(jì)算可知，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的計(jì)量體積影響最大的因素是壓力，其次是組分和溫度，當(dāng)出現(xiàn)0.01單位誤差時(shí)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積誤差的數(shù)量級(jí)分別為10-3、10-4、10-5。在線氣相色譜儀目前一般是獨(dú)立于各路計(jì)量撬單獨(dú)安裝，其誤差對(duì)各路計(jì)量撬的影響是相同的。對(duì)各路計(jì)量撬的壓力變送器、溫度變送器、流量計(jì)和流量積算儀等計(jì)量相關(guān)設(shè)備的檢定/校準(zhǔn)證書的修正/校準(zhǔn)值進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，結(jié)合各設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的計(jì)量體積的影響，可以計(jì)算出每一路計(jì)量撬的綜合計(jì)量誤差。某計(jì)量站其中3路計(jì)量撬的壓力變送器、溫度變送器、流量計(jì)和流量積算儀的校準(zhǔn)證書提供修正/校準(zhǔn)值已知，在壓力為7.85MPa，計(jì)量溫度為25.50℃時(shí)各路計(jì)量撬的綜合誤差見表5。

表5 某計(jì)量站各計(jì)量撬的綜合誤差

各路計(jì)量撬的壓變、溫變和流量積算儀的修正和校準(zhǔn)值各有正負(fù)，經(jīng)綜合計(jì)算后可得，第3路計(jì)量撬的綜合誤差最小。應(yīng)優(yōu)先選擇運(yùn)行第3路計(jì)量撬，或把更多的計(jì)量任務(wù)分配給第3路計(jì)量撬。由表5可知，綜合誤差的大小順序與壓力變送器的誤差大小順序完全相同，驗(yàn)證了壓力是影響標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積誤差的最主要因素。該計(jì)量站每路計(jì)量撬每日計(jì)量天然氣8 500kN·m3，一年運(yùn)行360天計(jì)，計(jì)量溫度為25.50℃時(shí)各路計(jì)量撬全年的計(jì)量誤差分別為2 457.2、-3 534.3和-586.7kN·m3。在流量計(jì)工況示值相同的情況下，第1路和第2路計(jì)量撬的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的計(jì)量體積差達(dá)到5 991.5kN·m3。

3 結(jié)論

通過計(jì)算可知，在影響天然氣計(jì)量準(zhǔn)確性的壓力、溫度、組分、流量積算儀等因素中，在題設(shè)參數(shù)下，當(dāng)出現(xiàn)0.01單位誤差時(shí)，壓力、組分和溫度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下計(jì)量體積誤差的數(shù)量級(jí)分別為10-3、10-4、10-5。壓力對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響是最大的，達(dá)到0.14%～0.15%；C6+組分次之，為0.017%～0.020%；流量積算儀的誤差一般在0.01%左右；溫度影響最小，為0.006%。因此在實(shí)際工作中，應(yīng)重視對(duì)壓力變送器的檢查，必要時(shí)更換修正值更小的壓力變送器。組分檢測(cè)時(shí)應(yīng)關(guān)注C6+組分的積分問題，對(duì)于雙氣源供氣的管道，應(yīng)盡量減小氣質(zhì)差異，減小雙氣源氣質(zhì)組分差異對(duì)超聲波流量計(jì)影響。在滿足安全運(yùn)行的前提下，綜合計(jì)算每一路計(jì)量撬的計(jì)量誤差，進(jìn)行精細(xì)化管理，優(yōu)先選擇基于計(jì)量誤差最小化的運(yùn)行參數(shù)。

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The mathematical model of the natural gas volume measurement error caused by the measurement errors of pressure,tempera?ture and composition is deduced through the analysis of the natural gas volume measurement formula under the standard reference condi?tions.Compression factor is calculated by means of computer program,and then it is obtained that under the given work conditions and the standard reference conditions,the natural gas volume measurement error is 0.14%～0.15%when pressure measurement error is 0.01 MPa;the natural gas volume measurement error is 0.017%～0.020%when the measurement error of component C6+is 0.01%;the natural gas volume measurement error is 0.006%when temperature measurement error is 0.01℃.It is suggested that in practical work we should pay attention to the inspection of pressure transmitter,integrate each measurement skid error,implement fine management and select operation parameters according to the principle of measurement error minimization under the premise of safe operation.

ultrasonic flowmeter;natural gas;flow totalizer;measurement error

??學(xué)敏

2016-07-19

馬應(yīng)奎（1976-），男，工程師，主要從事石油及天然氣計(jì)量和檢測(cè)管理工作。