孫勤江，陳建玲，陳慶文，李學(xué)科，楊 秀

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.畢托巴科技股份有限公司，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引言

大多數(shù)情況下，天然氣的產(chǎn)出總是伴隨著液態(tài)烴、游離水和壓縮蒸汽，這樣產(chǎn)出的天然氣成為濕天然氣或多相天然氣[1,2]。濕天然氣具有含液率較高的特點(diǎn)，研究人員嘗試?yán)酶鞣N單參數(shù)計(jì)量方法進(jìn)行計(jì)量，但由于液相的存在，測量誤差很大[3]?？傮w上文丘里管的測量效果較好，標(biāo)準(zhǔn)孔板由于上游液相累積或液體斷續(xù)通過節(jié)流件等原因準(zhǔn)確度很低，容積式流量計(jì)只能用在氣液流量波動不大的場合，其它類型的單相氣體流量計(jì)目前證明不能用來計(jì)量濕天然氣[5-7]。如渦輪和科里奧利式流量計(jì)只能在含液率≤5%的范圍內(nèi)正常工作，渦街流量計(jì)多數(shù)情況沒有輸出，超聲波流量計(jì)雖然有輸出，但誤差太大[8]。由于天然氣中含有油污、水蒸汽與硫化物等雜質(zhì)易粘附腐蝕流量計(jì)，管線內(nèi)積液嚴(yán)重，大量雜質(zhì)會影響普通流量儀表計(jì)量特性，縮短流量儀表使用壽命，也使得這些流量計(jì)計(jì)量的誤差變大。但畢托巴流量計(jì)憑借其傳感器的特殊結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的性能，實(shí)現(xiàn)了濕天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量，在濕天然氣計(jì)量領(lǐng)域已有大量應(yīng)用案例。

圖1 畢托巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the BiTOBAR flowmeter

1 畢托巴流量計(jì)

1.1 畢托巴流量計(jì)測量原理

畢托巴流量計(jì)將皮托管測速原理應(yīng)用于流量測量，流量計(jì)的測量桿插入管道中心，根據(jù)伯努利方程和流動連續(xù)性方程，當(dāng)被測介質(zhì)流經(jīng)畢托巴流量傳感器時，在其兩側(cè)產(chǎn)生差壓，總壓孔對正流體的來流方向，總壓與靜壓之差即為管道中心的實(shí)測差壓。

畢托巴流量計(jì)主要由差壓一次元件（差壓件）、差壓變送器、三閥組、連接件等組成。畢托巴流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1。

根據(jù)JJG 640-2016《差壓式流量計(jì)》，按差壓件的種類來劃分，畢托巴流量計(jì)屬于非節(jié)流式差壓件，產(chǎn)品出廠前需要用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對其進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，以確定其流量系數(shù)。當(dāng)用畢托巴流量計(jì)測量流量時，流量系數(shù)α為已知量，將流量系數(shù)置入流量積算儀或DCS系統(tǒng)，并采集與流量相關(guān)的差壓、密度（或溫度、壓力補(bǔ)償）等傳感器信號，用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算流量。

1.2 畢托巴流量計(jì)的出廠標(biāo)定

畢托巴流量計(jì)的測量裝置采用臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度為U=0.3%（k=2），裝置流量穩(wěn)定性為0.2%。該裝置已通過CNAS認(rèn)證，使得每一臺出廠的畢托巴流量計(jì)的準(zhǔn)確度得到保證，流量計(jì)準(zhǔn)確度等級達(dá)到1.0級。

1.3 具體標(biāo)定過程

將畢托巴流量計(jì)安裝在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置水平試驗(yàn)管段上，打開三閥組平衡閥，然后打開正、負(fù)壓力閥。開啟流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過控制系統(tǒng)選擇開啟音速噴嘴前的閥門，構(gòu)成不同的噴嘴組合以確定需要標(biāo)定的流量點(diǎn)，讓流體在管路中以70%最大流量循環(huán)10 min以上，關(guān)閉三閥組的正、壓力閥，調(diào)整變送器的零點(diǎn)；打開三閥組的正、負(fù)壓力閥，流量上限值下預(yù)運(yùn)行一段時間（5min以上），使管道介質(zhì)溫度均勻，流場穩(wěn)定。調(diào)節(jié)真空泵的頻率，使氣體通過音速噴嘴時在噴嘴上、下游形成特定的壓力比，穩(wěn)定后，即可進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)，通過同步采集到的相應(yīng)量值，輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并直接輸出被測流量計(jì)的流量系數(shù)α及重復(fù)性Er。常規(guī)標(biāo)定點(diǎn)按照qmin、0.25qmax、0.5qmax、0.75qmax、qmax進(jìn)行，也可根據(jù)需要增減流量點(diǎn)[9,10]。

差壓值可用下式計(jì)算：

式（1）中：

Δpij——第i流量點(diǎn)j次測量差壓變送器測得的差壓值，kPa。

Iij——第i流量點(diǎn)j次測量差壓變送器輸出的電流值，mA。

ΔP——差壓變送器量程，kPa。

對于圓形管道，畢托巴流量計(jì)的流量系數(shù)計(jì)算公式如下：

式（2）中：

qv——標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3/h。

ρ——空氣的密度，kg/m3。

Δp——測得差壓值，kPa。

D ——管道內(nèi)徑，mm。

設(shè)第i檢定點(diǎn)第j次檢定的流量系數(shù)為αij，則第i檢定點(diǎn)的流量系數(shù)αi為n(n≥3)次檢定流量系數(shù)的平均值，即：

流量計(jì)的流量系數(shù)為：

表1 標(biāo)定原始記錄數(shù)據(jù)Table 1 Calibration raw recorded data

線性誤差E為：

各流量點(diǎn)的重復(fù)性為：

流量計(jì)的重復(fù)性Er為流量計(jì)各流量點(diǎn)重復(fù)性中的最大值，即：

1.4 標(biāo)定原始記錄數(shù)據(jù)（見表1）

1.5 材質(zhì)及安裝

畢托巴流量計(jì)量與介質(zhì)接觸的傳感器部分采用高防腐的鎳基825材質(zhì)，焊接方式用德勝公司特有的冷焊接專利技術(shù)。傳感器機(jī)架生產(chǎn)完成打壓壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，保壓30 min不掉壓，打壓裝置最高打壓為60 MPa，保證傳感器的耐壓性，為保證測量的準(zhǔn)確性每臺流量計(jì)都用標(biāo)準(zhǔn)檢測裝置進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。裝置無需氣液分離，直接測量介質(zhì)氣相、液相流量。采用一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，撬裝結(jié)構(gòu)，可用于移動式或固定式設(shè)備。設(shè)備體積小，法蘭接口對接，安裝方便快捷。裝置流程為通路，非正常情況下不會發(fā)生安全事故，影響油田生產(chǎn)。

2 畢托巴流量計(jì)性能特點(diǎn)

2.1 防堵優(yōu)化設(shè)計(jì)

畢托巴流量計(jì)一次元件直接提取管道內(nèi)流體中心流速，開放式的取壓孔結(jié)構(gòu)，V字型的斜面能夠有效地防堵。流量計(jì)從管道上部垂直向下安裝，流體流動時在總壓孔前部形成高壓區(qū)，撞擊在取壓孔上的水汽、顆粒物受自身重力作用自然下落，阻止了顆粒進(jìn)入傳感器內(nèi)部。

2.2 畢托巴流量計(jì)防堵效果好

多年來畢托巴公司通過大量的研究、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比證明，畢托巴特殊設(shè)計(jì)的流量計(jì)在附垢前后測量誤差最大值為0.809%，計(jì)量精度在1級范圍內(nèi)，完全能滿足流量計(jì)量要求。詳見試驗(yàn)數(shù)據(jù)表和不同結(jié)晶物試驗(yàn)實(shí)拍圖。

2.3 靈敏度高、響應(yīng)性好

畢托巴流量計(jì)的測量傳感器無可動部件和阻流元件，不受異物、粘度影響，可以輕松感知因壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)變化與管網(wǎng)壓力影響的瞬間脈動流。

2.4 量程比寬

畢托巴流量計(jì)一次原件多采用機(jī)械加工形式，感受差壓范圍很大，但是現(xiàn)有的差壓變送器量程比為1:100，高的到1:400。根據(jù)差壓式流量計(jì)的工作原理，流量和差壓的平方根成正比，所以流量量程比為1:10或1:20。畢托巴流量計(jì)對寬流量范圍測量，可以用1個一次傳感原件，兩個或多個不同量程的差壓變送器，差壓變送器并列使用，這樣就總地提高了差壓計(jì)量的量程比，保證差壓計(jì)量的準(zhǔn)確，保證流量計(jì)量的準(zhǔn)確，大大提高流量量程比。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表和不同結(jié)晶物試驗(yàn)實(shí)拍圖Table 2 Test data table and test real pictures of different crystals

2.5 二次裝置選配靈活

畢托巴流量計(jì)自帶數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)瞬時參數(shù)及流量的顯示，以及累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)，可就地顯示天然氣瞬時流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲、再現(xiàn)等，也可通過（4~20）mA模擬量輸出或RS485數(shù)字信號輸出與上位機(jī)連接，在工控機(jī)上實(shí)行二次數(shù)據(jù)處理，組成的計(jì)量系統(tǒng)更加靈活、可靠。

3 畢托巴流量計(jì)在濕天然氣介質(zhì)下的測量

BZ19-6-WHPA平臺計(jì)量分離器氣相出口單井計(jì)量系統(tǒng)，是生產(chǎn)分離器出口總管線，是渤中13-1中心平臺干氣總管道。該管道規(guī)格10英寸，流量范圍（0~68250）sm3/h，常用溫度為55℃，壓力范圍為（0~10）MPa，管道材質(zhì)為碳鋼，管道走向?yàn)樗?。BZ19-6-WHPA平臺生產(chǎn)分離器出口總量測量用FE-2001畢托巴流量計(jì)，現(xiàn)場安裝如圖2。

2020年08月25日，干燥塔出口總管線干氣，即FE-2625流量計(jì)投入使用。通過現(xiàn)場調(diào)試與中控人員核對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及渤中13-1中心平臺流量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，流量計(jì)量也在實(shí)時穩(wěn)定變化。溫度為40℃，壓力6.5MPa，一天的天然氣累計(jì)流量在270000Nm3左右，瞬時流量為11000Nm3/h左右。

圖2 FE-2001畢托巴濕氣流量計(jì)Fig.2 FE-2001 BiTOBAR Wet gas flow meter

表3 渤中19-6-WHPA平臺在用3臺畢托巴流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)Table 3 Measurement data of 3 BiTOBAR flowmeters in use on Bozhong 19-6-WHPA platform

4 畢托巴流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）畢托巴流量傳感器可采用耐腐蝕材料（如316L、鈦材質(zhì)等）加工制作而成，具有硬度大、強(qiáng)度大以及較強(qiáng)的抗侵徹能力，具有超強(qiáng)的抗磨損能力，適用各種介質(zhì)工況，使用壽命長。

2）畢托巴流量計(jì)采用插入式結(jié)構(gòu)，安裝簡單，維護(hù)量小。

3）畢托巴流量計(jì)配在線閥門連接裝置，可以不停產(chǎn)在線安裝、維護(hù)、檢修，不影響生產(chǎn)；能夠在線拆下來進(jìn)行標(biāo)定檢測。

缺點(diǎn)：畢托巴流量計(jì)計(jì)量反應(yīng)靈敏，對計(jì)量穩(wěn)定平穩(wěn)的需求要做濾波處理。

5 結(jié)論

畢托巴流量計(jì)的安裝、調(diào)試、投運(yùn)完全按照畢托巴流量計(jì)安裝調(diào)試規(guī)范進(jìn)行。根據(jù)多個已現(xiàn)場應(yīng)用，畢托巴氣流量計(jì)濕天然氣現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，滿足生產(chǎn)工藝要求，畢托巴濕天然氣流量計(jì)科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)為用戶能源管理控制提供了有效技術(shù)保障。