摘要:近年來，國際上對天然氣需求逐年增加，為實現(xiàn)天然氣貿(mào)易交接，天然氣計量手段尤為重要。本文介紹了幾種天然氣常用流量計,通過對比發(fā)現(xiàn)，雙腔孔板流量計優(yōu)勢明顯。結(jié)合孟加拉RMS(RegulationandMeteringStation)調(diào)壓計量站項目的具體工藝條件，根據(jù)流量計的計算書，形成以雙腔孔板流量計為主要計量儀表的計量系統(tǒng)設(shè)計方案。拓展了基于雙腔孔板流量計作為天然氣貿(mào)易計量手段的新思路，為我國“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。國際上對天然氣需求處于井噴式的增長，由于近年來國際沖突等因素，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。
雙腔孔板流量計在菲律賓、緬甸、巴基斯坦等天然氣場站被廣泛應(yīng)用。據(jù)國外文獻記載,工業(yè)測量設(shè)備中基于差壓原理的孔板流量計應(yīng)用占比為40%叫，因此,孔板流量計是目前世界上應(yīng)用范圍較為廣泛的流量計量儀表之一。為保證流量計的計量精度,通常采用實流或空氣對流量計進行標(biāo)定。對于孔板流量計，通過空氣標(biāo)定就可以保證其精度，在眾多流量儀表中具有不可替代的優(yōu)勢。孔板流量計具有穩(wěn)定性高、可靠性好以反低成本的優(yōu)勢,.使其在管道和天然氣場站計量方面擁有較高的認可度。
通過介紹天然氣場站幾類常用流量計，并對各參數(shù)對比分析,明確丁選用高雙腔孔板流量計的優(yōu)勢。其次,結(jié)合瑪格麗特項目選用的歡腔孔板流量計的結(jié)構(gòu)反計算書，形成了基于雙腔孔板流量計的計量系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用方案。雙腔孔板流量計憑借其精度高、管線設(shè)計簡單、操作便捷、維護成本低等特點,已成為供需雙方認可的流量計量器具。
1.1超聲波流量計
傳播時間差法是國內(nèi)外超聲波流量計的主要檢測方法。該方法是用一對傳感器相向收發(fā)超聲波，當(dāng)一個傳感器發(fā)射聲波脈沖時，另外一個傳感器以一定的角度接收聲波脈沖信號,這對傳感器交替收發(fā)脈沖，通過檢測并計算該脈沖在介質(zhì)中順流和逆流的傳播時間差來測量管道介質(zhì)的流速,從而計算出介質(zhì)的流量。目前國內(nèi)外的超聲波流量計多采用4、6或8聲道傳感器，即2對、3對或4對傳感器進行工作，以提高測量的正確率。超聲波流量計雖然具有測量管徑大、測量范圍寬,支持雙向計量等特性。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，影響計量的精度。
1.2渦輪流量計
渦輪流量計是一種流量計量器具，具有溫度和壓力補償功能，屬于速度式流量計。其工作原理為:具有一定壓力的天然氣沿流動方向驅(qū)動渦輪流量計內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn),通過電渦流傳感器檢測葉片的旋轉(zhuǎn)速度,旋轉(zhuǎn)速度與體積流量成正比，即可計算出通過流量計的天然氣體積流量。渦輪流量計具有穩(wěn)定性高、量程范圍寬、對流量變化反應(yīng)迅速、抗干擾能力強、信號便于傳輸?shù)忍攸c,廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、城市燃氣管網(wǎng)等領(lǐng)域的貿(mào)易結(jié)算,特別是在歐美等國家應(yīng)用也板為普遍。渦輪流量計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)機構(gòu)長時間運轉(zhuǎn)，會出現(xiàn)連桿斷裂、或旋轉(zhuǎn)異常等現(xiàn)象。
1.3渦街流量計
“卡門渦街”原理是渦街流量計的核心理論。測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，管道內(nèi)雷諾數(shù)達到一定值時，在發(fā)生體下游兩側(cè)會交替分離出規(guī)則排列的旋渦。當(dāng)發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生旋渦時，流體對旋渦發(fā)生體會產(chǎn)生一個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)換為可以測量的頻率信號,通過信號放大和整形，得出流速和流量，并進行累積計算。
1.4孔板流量計
孔板流量計是基于差壓測量的方法，以流動連續(xù)性定律和能量守衡定律為基準(zhǔn)的，以AGA3或GB/T21446為計算依據(jù)。當(dāng)天然氣流經(jīng)管道中孔板所在的截面時，因局部收縮，使流速增大,進而在節(jié)流元件的上、下游產(chǎn)生壓降，且介質(zhì)流動的流量越大，在節(jié)流元件上、下游產(chǎn)生的壓降就越大�？装辶髁坑嬀褪峭ㄟ^測量上、下游的壓力差,根據(jù)GB-T21446-2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》中的計算公式，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。目前市場占有率較高的孔板流量計主要有兩種,一種是普通孔板流量計,-一種是雙腔孔板流量計。對于普通孔板流量計來講，流量測量穩(wěn)定,設(shè)計簡單,成本較低,但因沒有孔板升降機構(gòu)，在更換、檢查、標(biāo)定等情況下，必須停止介質(zhì)輸送才能實現(xiàn)。
現(xiàn)將上述流量計的各項參數(shù)做對比,如表1所示。其中D為管道直徑。
綜合上述參數(shù),超聲波流量計精度高,但前后直管段的長度較長，且需設(shè)置旁路回路，成本高且不易維修;渦輪流量計和渦街流量計成本低，但較其他流量計相比精度明顯不足;普通孔板流量計,檢修時需停線或切到旁路;雙腔孔板流量計精度高、維護簡單,在線即可更換孔板，不受噪聲影響。.由此可見，在計量器具種類繁多的當(dāng)下，雙腔孔板.流量計因其材質(zhì)強度高、耐磨性好、機械加工更加精密成為貿(mào)易計量中最優(yōu)的選擇。
2雙腔孔板流量計的結(jié)構(gòu)及計算書
在盂加拉瑪榕麗特RMS調(diào)壓計量站的儀表和控制系統(tǒng)的設(shè)計中,包含了貿(mào)易計量部分。該項目由中國能建集團及通用電氣公司(GE)聯(lián)合體總承包。RMS調(diào)壓計量站,隸屬于孟加拉能源公司，該調(diào)壓計量站為盂加拉國首臺9H級燃機電廠提供天然氣。該項目采用的是雙腔孔板流量計作為貿(mào)易計量流量計。
2.1現(xiàn)場流量計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場流量計系統(tǒng)包括:雙腔孔板流量計、整流器、前后直管段。如圖1所示。
2.2雙腔孔流量計
歡腔孔流量計也稱高級閥室孔板流量計。其結(jié)構(gòu)采用上下腔設(shè)計,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)測量并計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、機構(gòu)進行隔離。為了拆卸或檢查孔板，板載體組件應(yīng)通過一個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流量計計算書
調(diào)壓計量站的流量計計算書如表2所示。
3雙腔孔板流量計的應(yīng)用
根據(jù)流量計計算書,確定雙腔孔板流量計的規(guī)格、材質(zhì)等參數(shù)，制定計量系統(tǒng)設(shè)計方案。由雙腔孔板流量計組成的計量系統(tǒng)包括:前后隔斷球閥、整流器(GasConditioner)、雙腔孔板流量計(Flowmeter)、流量計算機(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)投入運行前，主管道的前、后隔斷球閥全打開，雙腔孔板流量計的取樣隔斷球閥、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)則流動氣流,平穩(wěn)流經(jīng)閥室孔板流量計。流量計配套的差壓變送器信號、絕壓變送器信號、溫度變送器信號通過硬接線接入流量計算機，同時在線色譜的天然氣組分、熱值等數(shù)據(jù)通過RS485通信線接入流量計算機，由流量計算機顯示并輸出天然氣的管道工藝參數(shù)、瞬時流量、累計流量等數(shù)值。另外,由機械件構(gòu)成的三筆記錄儀通過差壓、壓力取樣管線和溫度傳感器，同時在專用記錄紙上記錄差壓、壓力、溫度信號，作為流量計算機的備用計量手段。計量系統(tǒng)圖如圖3所示。
3.1現(xiàn)場儀表
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)，噴砂并進行光潔管道中天然氣介質(zhì)的差壓、壓力、溫度信號，從而計算出天然氣流量。該儀表為純機械儀表,無需供電。目前，國內(nèi)計量系統(tǒng)基本不采用三筆記錄儀，但在一些不發(fā)達地區(qū),如部分亞洲、非洲國家，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_上述信號傳送給流量計算機。色譜儀采用模塊化設(shè)計,可以隨時對內(nèi)部元件(色譜柱、色譜閥、膜片等)進行就地更換及維修，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。隨色譜儀成套提供防爆分析小室,.除包含可燃氣體檢測器、防爆聲光報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流量計算機
用于商貿(mào)交接的流量計算機，具有計量認證機構(gòu)頒發(fā)的證書,如NMI認證、歐洲EN12405.0IML認證、中國計量機構(gòu)證書。流量計算機采集來自現(xiàn)場的差壓、絕壓、溫度變送器的測量值,并通過通信的方式獲得色譜分析儀測得的天然氣組分和熱值等參數(shù),計算天然氣的密度、壓縮因于、工況流量和標(biāo)況流量,用于貿(mào)易結(jié)算。
本項目流量計算機的主要特性包括:
(1)CPU主頻參數(shù)為:≥333MHz,32bit或64bit的微處理器,其存儲器容量為Flash:256MB,.DRAM:128MB,SRAM:4MB.
(2)可以根據(jù)流量計的類型選擇有關(guān)計算標(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、能量流量等瞬時流量值和累積流量。
(3)流量計算機的計算精確度應(yīng)優(yōu)于±0.01%。
(4)每5分鐘對流量計算結(jié)果進行一次歸檔，可存儲10路的月報告、周報告、天報告和小時報告長達300天。
(5)流量計算機具有自診斷反掉電保護功能，并將結(jié)果傳送至，上位計算機控制系統(tǒng)。
4結(jié)論
上述計量系統(tǒng),是RMS調(diào)壓站完整的貿(mào)易計量配置，其最大的優(yōu)勢有以下幾點:
(1)整體設(shè)計完整，功能齊全，可以作為標(biāo)準(zhǔn)計量系統(tǒng)應(yīng)用于各天然氣場站。
(2)不受調(diào)壓閥引起的噪音干擾。
(3)因流量計可以在線更換孔板,不用設(shè)計計量旁路,大大降低成本。
(4)即使在失電的情況下，依然可以保證計量數(shù)據(jù)的記錄。
目前，該計量系統(tǒng)已安裝運行，各項運行參數(shù)正常，運行平穩(wěn)，二期也采用相同的設(shè)計方案。實踐證明，基于雙腔孔板流量計構(gòu)成的計量系統(tǒng)的設(shè)計線路簡單、成本低，計量數(shù)據(jù)平穩(wěn)、準(zhǔn)確，維護簡單便捷,抗干擾能力強，拓展了基于雙腔孔板流量計作為天然氣貿(mào)易計量手段的新思路，成為盂加拉RMS調(diào)壓站經(jīng)典工程。
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