摘要:近年來，國(guó)際上對(duì)天然氣需求逐年增加，為實(shí)現(xiàn)天然氣貿(mào)易交接，天然氣計(jì)量手段尤為重要。本文介紹了幾種天然氣常用流量計(jì),通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙腔孔板流量計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。結(jié)合孟加拉RMS(RegulationandMeteringStation)調(diào)壓計(jì)量站項(xiàng)目的具體工藝條件，根據(jù)流量計(jì)的計(jì)算書，形成以雙腔孔板流量計(jì)為主要計(jì)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。拓展了基于雙腔孔板流量計(jì)作為天然氣貿(mào)易計(jì)量手段的新思路，為我國(guó)“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略提供了經(jīng)典案例。
引言
天然氣是一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的能源。國(guó)際上對(duì)天然氣需求處于井噴式的增長(zhǎng)，由于近年來國(guó)際沖突等因素，更加劇了能源緊張，使得交易額迅速增加。為滿足市場(chǎng)需求，科學(xué)精準(zhǔn)的天然氣貿(mào)易交接手段成為關(guān)注的焦點(diǎn)。
雙腔孔板流量計(jì)在菲律賓、緬甸、巴基斯坦等天然氣場(chǎng)站被廣泛應(yīng)用。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)記載,工業(yè)測(cè)量設(shè)備中基于差壓原理的孔板流量計(jì)應(yīng)用占比為40%叫，因此,孔板流量計(jì)是目前世界上應(yīng)用范圍較為廣泛的流量計(jì)量?jī)x表之一。為保證流量計(jì)的計(jì)量精度,通常采用實(shí)流或空氣對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)于孔板流量計(jì)，通過空氣標(biāo)定就可以保證其精度，在眾多流量?jī)x表中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。孔板流量計(jì)具有穩(wěn)定性高、可靠性好以反低成本的優(yōu)勢(shì),.使其在管道和天然氣場(chǎng)站計(jì)量方面擁有較高的認(rèn)可度。
通過介紹天然氣場(chǎng)站幾類常用流量計(jì)，并對(duì)各參數(shù)對(duì)比分析,明確丁選用高雙腔孔板流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)。其次,結(jié)合瑪格麗特項(xiàng)目選用的歡腔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)反計(jì)算書，形成了基于雙腔孔板流量計(jì)的計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用方案。雙腔孔板流量計(jì)憑借其精度高、管線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作便捷、維護(hù)成本低等特點(diǎn),已成為供需雙方認(rèn)可的流量計(jì)量器具。
1.1超聲波流量計(jì)
傳播時(shí)間差法是國(guó)內(nèi)外超聲波流量計(jì)的主要檢測(cè)方法。該方法是用一對(duì)傳感器相向收發(fā)超聲波，當(dāng)一個(gè)傳感器發(fā)射聲波脈沖時(shí)，另外一個(gè)傳感器以一定的角度接收聲波脈沖信號(hào),這對(duì)傳感器交替收發(fā)脈沖，通過檢測(cè)并計(jì)算該脈沖在介質(zhì)中順流和逆流的傳播時(shí)間差來測(cè)量管道介質(zhì)的流速,從而計(jì)算出介質(zhì)的流量。目前國(guó)內(nèi)外的超聲波流量計(jì)多采用4、6或8聲道傳感器，即2對(duì)、3對(duì)或4對(duì)傳感器進(jìn)行工作，以提高測(cè)量的正確率。超聲波流量計(jì)雖然具有測(cè)量管徑大、測(cè)量范圍寬,支持雙向計(jì)量等特性。但因其工作中收發(fā)聲波的原理，使其容易受到周邊噪聲和其它環(huán)境的干擾，影響計(jì)量的精度。
1.2渦輪流量計(jì)
渦輪流量計(jì)是一種流量計(jì)量器具，具有溫度和壓力補(bǔ)償功能，屬于速度式流量計(jì)。其工作原理為:具有一定壓力的天然氣沿流動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)渦輪流量計(jì)內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn),通過電渦流傳感器檢測(cè)葉片的旋轉(zhuǎn)速度,旋轉(zhuǎn)速度與體積流量成正比，即可計(jì)算出通過流量計(jì)的天然氣體積流量。渦輪流量計(jì)具有穩(wěn)定性高、量程范圍寬、對(duì)流量變化反應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)便于傳輸?shù)忍攸c(diǎn),廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)等領(lǐng)域的貿(mào)易結(jié)算,特別是在歐美等國(guó)家應(yīng)用也板為普遍。渦輪流量計(jì)具有較高的精度和量程比，有著較好的重復(fù)性。但由于其自身的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)連桿斷裂、或旋轉(zhuǎn)異常等現(xiàn)象。
1.3渦街流量計(jì)
“卡門渦街”原理是渦街流量計(jì)的核心理論。測(cè)量前在管道中垂直插入一段非流線型阻流體(旋渦發(fā)生體)，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)，管道內(nèi)雷諾數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，在發(fā)生體下游兩側(cè)會(huì)交替分離出規(guī)則排列的旋渦。當(dāng)發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生旋渦時(shí)，流體對(duì)旋渦發(fā)生體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的交變橫向作用力，壓電傳感器將作用力的變化轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量的頻率信號(hào),通過信號(hào)放大和整形，得出流速和流量，并進(jìn)行累積計(jì)算。
1.4孔板流量計(jì)
孔板流量計(jì)是基于差壓測(cè)量的方法，以流動(dòng)連續(xù)性定律和能量守衡定律為基準(zhǔn)的，以AGA3或GB/T21446為計(jì)算依據(jù)。當(dāng)天然氣流經(jīng)管道中孔板所在的截面時(shí)，因局部收縮，使流速增大,進(jìn)而在節(jié)流元件的上、下游產(chǎn)生壓降，且介質(zhì)流動(dòng)的流量越大，在節(jié)流元件上、下游產(chǎn)生的壓降就越大。孔板流量計(jì)就是通過測(cè)量上、下游的壓力差,根據(jù)GB-T21446-2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中的計(jì)算公式，可以得到質(zhì)量流量、體積流量以及標(biāo)準(zhǔn)工況下的體積流量。目前市場(chǎng)占有率較高的孔板流量計(jì)主要有兩種,一種是普通孔板流量計(jì),-一種是雙腔孔板流量計(jì)。對(duì)于普通孔板流量計(jì)來講，流量測(cè)量穩(wěn)定,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,成本較低,但因沒有孔板升降機(jī)構(gòu)，在更換、檢查、標(biāo)定等情況下，必須停止介質(zhì)輸送才能實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)將上述流量計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)做對(duì)比,如表1所示。其中D為管道直徑。
綜合上述參數(shù),超聲波流量計(jì)精度高,但前后直管段的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且需設(shè)置旁路回路，成本高且不易維修;渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)成本低，但較其他流量計(jì)相比精度明顯不足;普通孔板流量計(jì),檢修時(shí)需停線或切到旁路;雙腔孔板流量計(jì)精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單,在線即可更換孔板，不受噪聲影響。.由此可見，在計(jì)量器具種類繁多的當(dāng)下，雙腔孔板.流量計(jì)因其材質(zhì)強(qiáng)度高、耐磨性好、機(jī)械加工更加精密成為貿(mào)易計(jì)量中最優(yōu)的選擇。
2雙腔孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及計(jì)算書
在盂加拉瑪榕麗特RMS調(diào)壓計(jì)量站的儀表和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,包含了貿(mào)易計(jì)量部分。該項(xiàng)目由中國(guó)能建集團(tuán)及通用電氣公司(GE)聯(lián)合體總承包。RMS調(diào)壓計(jì)量站,隸屬于孟加拉能源公司，該調(diào)壓計(jì)量站為盂加拉國(guó)首臺(tái)9H級(jí)燃機(jī)電廠提供天然氣。該項(xiàng)目采用的是雙腔孔板流量計(jì)作為貿(mào)易計(jì)量流量計(jì)。
2.1現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)系統(tǒng)包括:雙腔孔板流量計(jì)、整流器、前后直管段。如圖1所示。
2.2雙腔孔流量計(jì)
歡腔孔流量計(jì)也稱高級(jí)閥室孔板流量計(jì)。其結(jié)構(gòu)采用上下腔設(shè)計(jì),精確定位流道中心的孔板，根據(jù)API14.3.2(AGA-3)-最新版或ISO5167-1:2003(E)測(cè)量并計(jì)算通過孔板的天然氣流量。真正的雙腔是指無論孔板在下腔或上腔中的位置如何，上腔和下腔都始終通過隔離桿、閥、機(jī)構(gòu)進(jìn)行隔離。為了拆卸或檢查孔板，板載體組件應(yīng)通過一個(gè)不上升的升降螺釘和齒輪將孔板托架組件收回到上腔。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
流量計(jì)主要部件的材質(zhì):
(1)頂部夾緊桿:碳鋼。
(2)上腔端蓋、腔體,下腔體,閥座密封:氫化丁腈橡膠0形環(huán)。
(3)塞齒軸密封:聚四氟乙烯環(huán)。
(4)偏心塞:碳鋼,涂有適當(dāng)?shù)牟牧弦栽黾幽透g性。
(5)均衡閥:1/2"NPT泄放口，不銹鋼。
(6)壓力絲錐和排水塞:標(biāo)準(zhǔn)NPT管道絲錐符合API14.3.2(AGA3)和ANSI要求。
(7)安全鎖:彈簧加載柱塞將偏心塞鎖在關(guān)閉位置，以防止，上腔打開時(shí)意外打開。
(8)操作軸:左手安裝/雙重操作。
(9)孔板及孔板載體:sS316。
(10)孔板密封:孔板密封是不銹鋼316環(huán)上的氫化丁腈橡膠材料,它保持密封形狀,確保不會(huì)突出到孔內(nèi)，并符合API14.3.2(AGA-3)標(biāo)準(zhǔn)。
(11)表體:WCBSA216/A350。
(12)滑閥:不銹鋼。
(13)密封條:碳鋼。
2.3流量計(jì)計(jì)算書
調(diào)壓計(jì)量站的流量計(jì)計(jì)算書如表2所示。
3雙腔孔板流量計(jì)的應(yīng)用
根據(jù)流量計(jì)計(jì)算書,確定雙腔孔板流量計(jì)的規(guī)格、材質(zhì)等參數(shù)，制定計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。由雙腔孔板流量計(jì)組成的計(jì)量系統(tǒng)包括:前后隔斷球閥、整流器(GasConditioner)、雙腔孔板流量計(jì)(Flowmeter)、流量計(jì)算機(jī)(FC,FlowComputer)、三筆記錄儀(ThreePenChartRecorder)、在線色譜儀(GC,GasChromatograph)以及配套的差壓變送器(PDTI,PressureDifferentialTransmitterIndicator)、絕壓變送器(APT,AbsolutePressureTransmitter)、溫度變送器(TT,TemperatureTransmitter)、PT100(TE,TemperatureElement)等。
系統(tǒng)投入運(yùn)行前，主管道的前、后隔斷球閥全打開，雙腔孔板流量計(jì)的取樣隔斷球閥、五閥組隔斷閥、絕壓變送器的隔斷閥以反在線色譜儀的取樣閥全打開。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，天然氣通過整流器將管道內(nèi)的氣流變?yōu)橐?guī)則流動(dòng)氣流,平穩(wěn)流經(jīng)閥室孔板流量計(jì)。流量計(jì)配套的差壓變送器信號(hào)、絕壓變送器信號(hào)、溫度變送器信號(hào)通過硬接線接入流量計(jì)算機(jī)，同時(shí)在線色譜的天然氣組分、熱值等數(shù)據(jù)通過RS485通信線接入流量計(jì)算機(jī)，由流量計(jì)算機(jī)顯示并輸出天然氣的管道工藝參數(shù)、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等數(shù)值。另外,由機(jī)械件構(gòu)成的三筆記錄儀通過差壓、壓力取樣管線和溫度傳感器，同時(shí)在專用記錄紙上記錄差壓、壓力、溫度信號(hào)，作為流量計(jì)算機(jī)的備用計(jì)量手段。計(jì)量系統(tǒng)圖如圖3所示。
3.1現(xiàn)場(chǎng)儀表
3.1.1整流器
整流器安裝在任何裝置的下游以及孔板流量計(jì)的上游。整流器的種類也多種多樣，圖4為列舉的幾種樣式。.
3.1.2.上下游直管段
上下游管道采用碳鋼材質(zhì)，噴砂并進(jìn)行光潔管道中天然氣介質(zhì)的差壓、壓力、溫度信號(hào)，從而計(jì)算出天然氣流量。該儀表為純機(jī)械儀表,無需供電。目前，國(guó)內(nèi)計(jì)量系統(tǒng)基本不采用三筆記錄儀，但在一些不發(fā)達(dá)地區(qū),如部分亞洲、非洲國(guó)家，因電力供應(yīng)不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)停電的現(xiàn)象，仍在使用三筆記錄儀用于記錄介質(zhì)參數(shù),并用于貿(mào)易結(jié)算。
3.1.5在線色譜儀
在線色譜分析儀分析出天然氣組分至少到C1~C6+、N2CO2,并提供密度、比重、高低熱值、壓縮因于(遵循ISO6976和AGA-8)等參數(shù),通過RS485接口將_上述信號(hào)傳送給流量計(jì)算機(jī)。色譜儀采用模塊化設(shè)計(jì),可以隨時(shí)對(duì)內(nèi)部元件(色譜柱、色譜閥、膜片等)進(jìn)行就地更換及維修，色譜分析儀中色譜柱數(shù)量根據(jù)需要確定,色譜儀采用熱導(dǎo)率式探頭(TCD)設(shè)計(jì)。隨色譜儀成套提供防爆分析小室,.除包含可燃?xì)怏w檢測(cè)器、防爆聲光報(bào)警器和防爆照明系統(tǒng)外，還包含取樣系統(tǒng)、樣氣預(yù)處理系統(tǒng)、標(biāo)氣載氣系統(tǒng)等配套系統(tǒng)。
3.2流量計(jì)算機(jī)
用于商貿(mào)交接的流量計(jì)算機(jī)，具有計(jì)量認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)的證書,如NMI認(rèn)證、歐洲EN12405.0IML認(rèn)證、中國(guó)計(jì)量機(jī)構(gòu)證書。流量計(jì)算機(jī)采集來自現(xiàn)場(chǎng)的差壓、絕壓、溫度變送器的測(cè)量值,并通過通信的方式獲得色譜分析儀測(cè)得的天然氣組分和熱值等參數(shù),計(jì)算天然氣的密度、壓縮因于、工況流量和標(biāo)況流量,用于貿(mào)易結(jié)算。
本項(xiàng)目流量計(jì)算機(jī)的主要特性包括:
(1)CPU主頻參數(shù)為:≥333MHz,32bit或64bit的微處理器,其存儲(chǔ)器容量為Flash:256MB,.DRAM:128MB,SRAM:4MB.
(2)可以根據(jù)流量計(jì)的類型選擇有關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，如AGA3/API250,IS05167,AGA5,AGA7,AGA8,API101,API2534;根據(jù)選用的標(biāo)準(zhǔn),完成標(biāo)況下的體積流量、質(zhì)量流量、能量流量等瞬時(shí)流量值和累積流量。
(3)流量計(jì)算機(jī)的計(jì)算精確度應(yīng)優(yōu)于±0.01%。
(4)每5分鐘對(duì)流量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一次歸檔，可存儲(chǔ)10路的月報(bào)告、周報(bào)告、天報(bào)告和小時(shí)報(bào)告長(zhǎng)達(dá)300天。
(5)流量計(jì)算機(jī)具有自診斷反掉電保護(hù)功能，并將結(jié)果傳送至，上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
4結(jié)論
上述計(jì)量系統(tǒng),是RMS調(diào)壓站完整的貿(mào)易計(jì)量配置，其最大的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn):
(1)整體設(shè)計(jì)完整，功能齊全，可以作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用于各天然氣場(chǎng)站。
(2)不受調(diào)壓閥引起的噪音干擾。
(3)因流量計(jì)可以在線更換孔板,不用設(shè)計(jì)計(jì)量旁路,大大降低成本。
(4)即使在失電的情況下，依然可以保證計(jì)量數(shù)據(jù)的記錄。
目前，該計(jì)量系統(tǒng)已安裝運(yùn)行，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，運(yùn)行平穩(wěn)，二期也采用相同的設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐證明，基于雙腔孔板流量計(jì)構(gòu)成的計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)線路簡(jiǎn)單、成本低，計(jì)量數(shù)據(jù)平穩(wěn)、準(zhǔn)確，維護(hù)簡(jiǎn)單便捷,抗干擾能力強(qiáng)，拓展了基于雙腔孔板流量計(jì)作為天然氣貿(mào)易計(jì)量手段的新思路，成為盂加拉RMS調(diào)壓站經(jīng)典工程。
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