摘要：通過對比串聯在同一管路中的兩套自動孔板計量系統流量值,得出在直管段前存在調壓、過濾等節流件造成脈動流時，導致天然氣流量產生2%~ 12%的負偏差,論述了脈動流產生時對天然氣流量造成的影響,結合流體的六種流態,對比分析了脈動流對天然氣流量的影響與流體流態之間的關系,以及產生脈動流的原因,提出了消除脈動流的方法。
在天然氣計量過程中要求流過天然氣孔板流量計的氣流為穩定發展的定常流,定常流為流動參數不隨時間變化的流動,然而在現實條件下，不可避免地存在一些偏離這一 流動狀態的情況存在,非定常流的存在導致了天然氣計量的偏差,認識和確定非定常流造成的影響,對保證天然氣計量的正確率有著很重要的意義。我們通過對孔板節流裝置前存在調壓、過濾裝置,導致管路中存在脈動流的現象進行了長期的觀察,對脈動流對天然氣計量的影響有了初步的認識。
在流體力學上將流體分成了六種流動形態(如圖1)。前兩種流動狀態下,可以認為計量是正確的,也就是除了第-種和第二種情況之外,其余的四種情況都會對天然氣計量造成影響,這四種流態統稱脈動流。孔板流量計不適用于脈動流,那么脈動流究竟會對孔板流量計計量造成什么樣的影響,我們通過同一管路中串聯兩套計量裝置,對孔板前直管段內存在調壓、過濾裝置造成脈動流對天然流量的影響進行了分析。
1脈動流產生時會造成天然氣流量的極大誤差
這種誤差可以達到2%~ 12% ,個別情況更多,且脈動流出現時,其影響天然氣流量的狀況與圖1中, c,df流體流態相似,從理論上講. e這種情況也應該存在,在天然氣管直管段內,孔板流量計前存在調壓、過濾裝置,形成脈動流造成的天然氣流量偏差總是偏小的,這與新的天然計量標準SY /T6143- 2004《用標準孔板流量計測量天然氣流量》是相一致的。
2脈動流造成了 引壓管路壓力信號傳遞過慢
壓力信號不能被弓引|壓管路完全傳遞,儀表無法正確測出,這是由于氣體可壓縮性決定了氣體在傳輸過程中,有高低壓平衡的問題,由于壓力在引壓管路傳遞過程中,高低壓信號互相平衡,造成信號滯后和畸變,脈動峰值高點和低點,不能完全被表征,因差壓信號與流量為非線性關系,壓勵信號的不完整造成了計量數據的偏差,這種偏差由于引壓管路的不同而產生不同的表現形式。在較短引壓管路的計量裝置中,差壓測量時會出現劇烈波動,這種波動造成了測量數據不能被計量儀表完全測出,引起測量數據不完整,這是因為由于在較短引壓管路中,壓勵在傳遞過程時并沒有得到平衡,高低壓點被明確界分,每種差壓測量儀表都有一定的響應時間 ,脈動流的頻率與儀表測量響應時間不一致,導致了壓勱滯后,勵已經測出而脈動峰值未到達或者脈動峰值被錯過，一些脈動數據點無法被測出,造成了數據失真,無法正確確定天然氣流量,并且有可能由于脈動頻率的過快,對儀表造成沖擊,儀表傳感器反應受到影響,從而使測量結果造成偏差,影響流量測量的正確率。在較長引壓管路的孔板計量裝置中,壓力高低峰值之間充分平衡,致使儀表無法測出真實值。
3脈動流的存在造成天然氣流量無法正確補償
這主要是因為脈動流流型復雜,往往是多種流態共同作用,致使不能很好地找到補償手段、確定補償量。
脈動流對天然氣計量的影響主要通過影響差壓,造成差壓儀表示值不準表現出來,進而影響天然氣流量,且其影響天然氣流量的各種表現形式如下。
(1)脈動流產生時,差壓儀表示值明顯偏低,差壓值在一一個上限值和一一個下限值之間波動,如圖2。此時天然氣流量實際值為差壓最高值時的流量,其高低點之差為流量損失,天然氣量由此而產生2% ~ 6%的計量誤差。
(2)脈動流產生時,差壓值有-個峰值并在一個相對低的位置有一個波動上下限,如圖3。在這:種情況下流量真實值為最高值,高低點之差為流量損失,誤差可達到2.5%~ 8%。
(3)脈動流造成的第三種情況是,差壓值一直處于一個低位波動這是影響最大的一種脈動流現象是脈動流與隨機湍流結合的形式,這種情況下造成的流量損失高達6%~ 12%,甚至更高,如圖4。在此情況下實際流量值為虛線處,而實測到的為波形處的平均流量值(橫直線處流量值) , 這種情況實際可以認為是隨機湍流造成的,這種情況下造成了流量大幅損失,造成了計量的極大誤差,而這種情況也并不是不能發現的。在實際情況下,偶爾能觀察到一個最大值得出現,而這個最大值就是實際流量值,這一點與第二種脈動流有相似之處,但其最大值的出現具有不確定性,是最難以定量的一種現象,但一旦出現,天然氣量偏差即在8%左右。
(4)多種流態共同存在。這種情況下,天然氣損失最難確定,但其誤差也在2%~ 12%之間,個別情況有特殊。
(5)脈動流產生時天然氣管路往往能聽到間歇天然氣氣流聲，特別明顯時表現為-股-股的氣流流動,并非穩定的氣流聲音。以幾種情況正應合了流體脈動流的三種狀況,實際中由于可能幾種狀況下的脈動流同時存在,則造成的實際氣量計算更加困難,當然非周期性脈動流在實際狀態中也是存在的,實際測量值不確定,從計量裝置前存在阻流件,形成脈動流造成的這幾種情況可以清楚看出,儀表實際測出值總是在脈動峰值和低值中間值附近,天然氣量總是低于真實流量值,并且有跡象表明脈動流不影響孔板流量計流量,卻影響計量,當然這需要進一步的論證。
脈動流能夠造成天然氣流量偏差,實際中以下原因可以導致脈動流的產生:①管路中存在阻流件,包括調壓裝置、過濾裝置、彎頭、閥門等。②下游用戶用氣量波動,主要存在原因是用戶用氣量大,用氣量不確定,管路中又不存在儲氣調峰設施,造成氣流忽高忽低,容易形成脈動流.當然在這里要注意區分脈動流和氣流波動之間的區別,氣流波動并非氣流脈動。③流體壓力過低,流速過快導致流體流態不穩。④孔板表面不清潔,氣體含液造成氣流脈動。⑤天然氣含有雜質,影響氣體流態,特別是過濾裝置、整流裝置被雜質堵塞后,易形成脈動流。
對于孔板原因造成的脈動流不符合.上面的規律,阻流件造成的脈動流對天然計量影響這么大,實際過程中如何判斷脈動流:①聽。通過氣流的聲音,判斷是否存在脈動流,特別明顯的脈動流往往能夠聽到氣流一股一股哧哧變化的聲音,此時流量誤差一般不會低于 5%。②觀查儀表示值。由于計量時孔板上游靜壓力較高,脈動流出現時造成靜壓力的變化并不是很明顯。脈動流對差壓的影響是很明顯的,一般出現差壓波動在2%以上就應該注意是不是脈動流的影響,差壓波動在5%以上就應該立即消除,否則就會造成很大的計量誤差。③減少引壓管長度,測量就地化,既是增加測量正確率,也是為正確確定流體流態(脈動流)提供條件,以減少脈動流造成的流量損失。
如何消除脈動流:根據實際觀察,在管路阻流件在孔板計量裝置前,且阻流件為調壓裝置、過濾裝置形成脈動流時,將對天然氣計量造成以上幾種脈動流狀態的影響,并且天然氣計量示值明顯偏小,偏小程度從2% ~ 12%不等,給天然氣計量造成很大誤差,因此消除脈動流的影響是很重要的一個環節。①在設計時就要優先考慮直管段長度,確保管路內流體流態處于定常流圖1中的a b兩種狀態。②以穩定的流量穩定供氣,加裝調峰裝置,避免出現用戶氣量波動造成的氣流脈動。③避免和減少計量裝置前的任何阻流件,在條件許可的情況.下,避兔用上游節流、調壓,需要在上游節流、調壓時,要延長直管段,并在離孔板流量計盡可能遠的地方進行。④計量上游直管段前安裝整流器。⑤盡量避免低壓供氣。⑥保證天然氣氣質符合要求,不含粉塵、油污、水等雜質,在氣質沒有保證的情況下,設計時應該相應提高技術標準。
認識脈動流對天然氣孔板流量計計量的影響,對孔板流量計的設計、安裝、運行有指導意義,隨著對脈動流認識的深入和科學技術的發展,有望解決非定常流狀態下孔板流量計的補償問題,進而擴大孔板流量計的適用范圍。
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