晁宏洲,黃明基，方林劍

中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部 （新疆 庫爾勒 841000）

國家石油天然氣大流量計量站塔里木檢定點是經(jīng)原國家質(zhì)檢總局批復(fù)，在中國石油塔里木油田建設(shè)的高壓天然氣流量檢定點，旨在完善和優(yōu)化國內(nèi)天然氣實流檢定站點布局，推進中國石油天然氣計量檢定體系建設(shè)，滿足新疆南疆地區(qū)天然氣貿(mào)易交接流量計的檢定需求。塔里木檢定點工程毗鄰塔里木油田分公司輪南集氣總站，設(shè)計建立1套天然氣工作流量標準裝置，工藝設(shè)計參數(shù)如下：工藝系統(tǒng)設(shè)計壓力為10.0MPa；天然氣壓力為3.5～7.0 MPa；天然氣溫度為-5～30℃；工況檢定流量25～8 000 m3/h；系統(tǒng)流量測量擴展不確定度優(yōu)于0.33%，k=2；被檢流量計準確度不高于1.0級；被檢流量計口徑DN50～DN400；年檢定能力為200臺。在確保工程設(shè)計方案滿足基本功能的前提下，圍繞“高水平、高效率、高可靠性”優(yōu)化了多項性能保障措施和檢定參數(shù)穩(wěn)定措施。

1 設(shè)計優(yōu)化措施

1.1 工藝優(yōu)化

1.1.1 低壓檢定流程

在施工圖設(shè)計階段，建設(shè)項目組對新疆南疆地區(qū)和周邊油氣田在用的天然氣流量計臺賬進行了摸排和梳理，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，工作壓力低于4.0 MPa的流量計數(shù)量少且口徑小，因此將低壓檢定流程管徑由原設(shè)計的DN600優(yōu)化為DN300，流程上的ESD閥門、安全切斷閥、二級大壓差調(diào)節(jié)閥、外輸流量計等也相應(yīng)減小了規(guī)格。在滿足實際使用需求的情況下，減少了設(shè)備投資，也使調(diào)節(jié)閥、流量計等工作在適宜的區(qū)間范圍[1]。利用了低壓回氣管網(wǎng)輪南—庫爾勒輸氣管道的閑置DN300預(yù)留頭，避免了原設(shè)計的DN600管道動火連頭作業(yè)，降低了工程費用，提高了施工安全性。

1.1.2 管容效應(yīng)

管容效應(yīng)是指在標準流量計和被檢表之間連接管段的沒有被測量到的體積。一般設(shè)計中，都把標準表和被檢表之間管段中介質(zhì)的壓力和溫度等參數(shù)作為一個定常值對待，在數(shù)據(jù)采集與流量評價系統(tǒng)中不精確考慮其變化，但實際上管容效應(yīng)是有可能存在的[2]。比如，當(dāng)一個流量點檢定開始時，標準表和被檢表之間連接管段中的壓力會是某個值p1，在該流量點檢定結(jié)束時，標準表和被檢表之間連接管段中的壓力變?yōu)閜2，p2可能會小于p1。這意味著，標準表和被檢表之間連接管段在檢定過程中損失了一定量的氣體體積。損失的體積被被檢表檢測到了，而標準表并未檢測到，這個被忽略掉的體積就引入了一個檢定誤差的分量。

為減小管容效應(yīng)帶來的誤差，保證量值準確可靠，施工圖設(shè)計盡可能減小了工作標準裝置與檢定臺位系統(tǒng)之間的匯管體積[3]。并且根據(jù)管容效應(yīng)在小口徑流量計的小流量檢定中表現(xiàn)顯著的特點，對DN100流量標準裝置與DN50、DN80檢定臺位之間設(shè)置單獨的小容積匯管，將原設(shè)計的大匯管一分為二且相互連通，見圖1。

圖1 標準裝置與檢定臺位系統(tǒng)

1.1.3 檢定氣源

塔里木檢定點原設(shè)計的檢定氣源取自迪那—輪南輸氣管道。管道起點輸量1 600×104m3/d，中途輪臺供氣門站常年分輸150×104m3/d，供給庫爾勒地區(qū)250×104～470×104m3/d，夏季輸入檢定點的流量勉強達到8 000 m3/h,冬季用氣高峰期間，檢定流量則不能滿足設(shè)計上限。

2015年，塔里木油田分公司開始設(shè)計建設(shè)凝析氣輕烴深度回收工程，迪那氣田較富集的凝析氣計劃被用于深度回收液化氣、輕烴等中間產(chǎn)品。檢定點建設(shè)項目組及時提出將檢定氣源變更為克拉2氣田的外輸氣。氣源變更后，新的氣源屬于氣藏氣，物性更接近貿(mào)易交接氣質(zhì)，流量計檢定條件與實際使用條件趨向一致，而且氣量提高到約1 800×104～2 400×104m3/d，可保證檢定流量常年達到設(shè)計上限。

1.2 設(shè)備優(yōu)化

1.2.1 控制閥門

檢定點建設(shè)項目組在物資采購開始前，組織對國內(nèi)大型天然氣輸氣站場和天然氣實流檢定站點進行了考察和調(diào)研，對控制閥門的結(jié)構(gòu)型式、控制原理、驅(qū)動方式、使用效果等多方面進行了對比分析。將原設(shè)計的“自驅(qū)式”安全切斷閥的驅(qū)動方式擴展為“自驅(qū)式或自力式”，且將閥門彈簧動作響應(yīng)時間小于等于2 s優(yōu)化到小于等于1 s，提高了閥門的安全性能，實現(xiàn)了超壓保護的最快速響應(yīng)。為避免冬季檢定氣源氣質(zhì)波動帶來的節(jié)流處水合物生成，對用于壓力調(diào)節(jié)的控制閥門結(jié)構(gòu)型式由原設(shè)計的“軸流式”擴展到“直通式或軸流式”，要求投標商進行嚴格的工藝計算，選取正確的閥門結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸，確保在檢定工藝條件下不生成天然氣水合物。控制閥門驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)型式的擴展，不但保證了現(xiàn)場的安全使用，而且創(chuàng)造了更優(yōu)的招標競爭機制，節(jié)約了設(shè)備采購成本。此外，整體對用于壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)的控制閥門進行了規(guī)格優(yōu)化，改變了控制方式，因而普遍減小了閥門規(guī)格。

1.2.2 安全閥門

因為對低壓檢定流程進行了優(yōu)化，工藝管路由DN600變更為DN300，流程上的ESD閥門相應(yīng)減小了規(guī)格，降低了采購成本。此外，在原設(shè)計基礎(chǔ)上增加了進站管線、匯管等處的氣動BDV閥，確保在著火、失電等極端狀況下閥門遠程操作不失效，提升了檢定點的本質(zhì)安全水平。

1.2.3 工藝閥門

為保證檢定管路中介質(zhì)流態(tài)不對流量計造成影響，設(shè)計施工圖時將原來的核查標準裝置、工作標準裝置與檢定臺位系統(tǒng)前端的強制密封閥變更為全通徑的DBB球閥，確保了流量計的計量性能，也降低了采購成本。相反地，在一級大壓差、穩(wěn)壓、主流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)各路壓力、流量調(diào)節(jié)閥前增加了一道強制密封閥，確保不在使用狀態(tài)的調(diào)節(jié)回路嚴格密封，不因泄漏影響調(diào)節(jié)效果。

1.3 控制優(yōu)化

1.3.1 進站旁通流量調(diào)節(jié)

施工圖設(shè)計優(yōu)化重點關(guān)注了進站旁通流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。進站旁通流量調(diào)節(jié)，不但關(guān)乎是否可以較為準確地提供檢定氣量，而且關(guān)乎經(jīng)過檢定系統(tǒng)的高壓回氣是否可以順利返回到輸氣管道?？紤]到?jīng)]有真實流量檢測比較的流量控制是“無的放矢”，在高壓取氣和去檢定裝置的管路上增加了外夾式超聲流量計，將兩處流量檢測信號比較后控制旁通流量調(diào)節(jié)閥的開度，根據(jù)被檢流量計的規(guī)格為檢定系統(tǒng)提供適宜大小的氣量，見圖2。塔里木檢定點初期運行經(jīng)驗證明，借助優(yōu)化后的進站旁通流量調(diào)節(jié)，能夠快速粗略調(diào)整檢定流量。

1.3.2 檢定流量調(diào)節(jié)

優(yōu)化前的調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)按照嚴格的分程調(diào)節(jié)設(shè)計，每次調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)不同口徑的調(diào)節(jié)閥流通能力只選用一個閥門，同一閥組中并聯(lián)設(shè)置的其他閥門全部處于關(guān)閉狀態(tài)，同一閥組中并聯(lián)設(shè)置的各路調(diào)節(jié)閥流通能力稍有重疊。這種控制方式勢必導(dǎo)致在某些檢定流量點上，調(diào)節(jié)閥處于小開度或大開度兩種極端情況，不在調(diào)節(jié)閥性能較好的區(qū)段工作，小開度時可能會有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。

圖2 進站旁通流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

優(yōu)化后的調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)突破了嚴格的分程調(diào)節(jié)設(shè)計思路，減小了各路調(diào)節(jié)閥的規(guī)格，在每次調(diào)節(jié)過程中，允許同時使用2路或3路并聯(lián)設(shè)置的閥門。這種使用多路閥門組合的控制方式，可使得投入使用的各路調(diào)節(jié)閥工作在性能優(yōu)良的開度區(qū)間，調(diào)節(jié)的精度會提高，調(diào)節(jié)后穩(wěn)定的時間也會相應(yīng)縮短。

控制方式的優(yōu)化，相應(yīng)地帶來調(diào)節(jié)閥和閥門前后工藝配管規(guī)格的變化。塔里木檢定點調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)優(yōu)化前后的閥門規(guī)格對比見表1。

2 計量參數(shù)穩(wěn)定措施

2.1 檢定壓力穩(wěn)定

塔里木檢定點工作流量標準裝置的壓力穩(wěn)定性得益于檢定氣源克拉—輪南輸氣管道的較大管容（6.5 MPa、約964×104m3），壓力的波動被較大的管容吸收和消化，長輸管道介質(zhì)壓力的穩(wěn)定保證了檢定點站場工藝管道的壓力穩(wěn)定。此外，檢定點站場內(nèi)在過濾分離、穩(wěn)壓系統(tǒng)、大壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)、核查與工作標準裝置、被檢流量計臺位、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的前、后都分別設(shè)計安裝了匯管。為了防止天然氣流經(jīng)匯管時產(chǎn)生擾流，要求匯管的主管和支管之間的連接處為圓滑過渡，采用熱拔工藝制造。匯管主管內(nèi)的流速不超過10 m/s，支管流速不超過20 m/s，支管直徑與主管直徑的比值應(yīng)滿足小于等于0.50，以較大的緩沖空間保證介質(zhì)的壓力不波動，介質(zhì)的流態(tài)不受擾動。

表1 調(diào)壓、穩(wěn)壓、調(diào)流系統(tǒng)優(yōu)化前后的閥門規(guī)格對比表

2.2 檢定溫度穩(wěn)定

塔里木檢定點工作流量標準裝置檢定氣源克拉—輪南輸氣管道全程埋深在凍土層以下，較恒定的地溫場，一定程度上保證了檢定介質(zhì)溫度的穩(wěn)定。為避免檢定點站場內(nèi)地面上的工藝設(shè)備和管道受環(huán)境條件影響、管道內(nèi)流動的天然氣介質(zhì)受管道壁溫度的影響，對地面上的工藝設(shè)備和管道進行保溫隔熱，具體措施為：對室內(nèi)、外地面上鋪設(shè)的工藝管道、匯管等設(shè)備均進行保溫處理[4-5]，并用鋁合金薄板作外護層處理；把計量檢定工藝系統(tǒng)的核心部分（工作標準、核查標準、檢定臺位系統(tǒng)等）設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)檢定廠房內(nèi)，避免受室外天氣的影響；把室外安裝的工藝管道和設(shè)備（進出站閥組、過濾分離器、調(diào)壓和調(diào)流量系統(tǒng)等）設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)防曬棚內(nèi)，防止陽光直曬。

3 結(jié)論

1）對塔里木檢定點工程從確保裝置計量性能主旨出發(fā)，優(yōu)化了多項性能保障措施和檢定參數(shù)穩(wěn)定措施，確保了高壓天然氣流量標準裝置的計量性能，節(jié)約了建設(shè)成本。

2）塔里木檢定點工程在設(shè)計建設(shè)階段，從檢定流程、管容效應(yīng)、氣源變更3個方面進行了工藝優(yōu)化；從控制閥門、安全閥門、工藝閥門3個方面進行了設(shè)備優(yōu)化；從進站旁通流量調(diào)節(jié)、檢定流量調(diào)節(jié)2個方面進行了控制優(yōu)化。各項優(yōu)化措施保障了高壓天然氣流量標準裝置的計量性能。

3）塔里木檢定點工程在設(shè)計建設(shè)階段，實施了檢定壓力、檢定溫度的計量參數(shù)穩(wěn)定措施，成為高性能天然氣流量標準裝置的最基礎(chǔ)條件。

4）天然氣計量檢定站點的設(shè)計建設(shè)重點從天然氣流量測量技術(shù)上進行突破，攻克流量標準裝置測量準確度的瓶頸限制，降低對上下游管網(wǎng)的依賴，實現(xiàn)低能效、高效率運行。塔里木檢定點的計量性能保障措施和檢定參數(shù)穩(wěn)定措施，為同類站點設(shè)計建設(shè)提供借鑒。