摘要：通過對比串聯(lián)在同一管路中的兩套自動孔板計量系統(tǒng)流量值,得出在直管段前存在調(diào)壓、過濾等節(jié)流件造成脈動流時，導致天然氣流量產(chǎn)生2%~ 12%的負偏差,論述了脈動流產(chǎn)生時對天然氣流量造成的影響,結(jié)合流體的六種流態(tài),對比分析了脈動流對天然氣流量的影響與流體流態(tài)之間的關(guān)系,以及產(chǎn)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(wěn)定發(fā)展的定常流,定常流為流動參數(shù)不隨時間變化的流動,然而在現(xiàn)實條件下，不可避免地存在一些偏離這一 流動狀態(tài)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(jié)流裝置前存在調(diào)壓、過濾裝置,導致管路中存在脈動流的現(xiàn)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(tài)(如圖1)。前兩種流動狀態(tài)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(tài)統(tǒng)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(lián)兩套計量裝置,對孔板前直管段內(nèi)存在調(diào)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(chǎn)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(xiàn)時,其影響天然氣流量的狀況與圖1中, c,df流體流態(tài)相似,從理論上講. e這種情況也應(yīng)該存在,在天然氣管直管段內(nèi),孔板流量計前存在調(diào)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(guān)系,壓勵信號的不完整造成了計量數(shù)據(jù)的偏差,這種偏差由于引壓管路的不同而產(chǎn)生不同的表現(xiàn)形式。在較短引壓管路的計量裝置中,差壓測量時會出現(xiàn)劇烈波動,這種波動造成了測量數(shù)據(jù)不能被計量儀表完全測出,引起測量數(shù)據(jù)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(yīng)時間 ,脈動流的頻率與儀表測量響應(yīng)時間不一致,導致了壓勱滯后,勵已經(jīng)測出而脈動峰值未到達或者脈動峰值被錯過，一些脈動數(shù)據(jù)點無法被測出,造成了數(shù)據(jù)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(yīng)受到影響,從而使測量結(jié)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(fù)雜,往往是多種流態(tài)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(xiàn)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(xiàn)形式如下。
(1)脈動流產(chǎn)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(chǎn)生2% ~ 6%的計量誤差。
(2)脈動流產(chǎn)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(xiàn)象是脈動流與隨機湍流結(jié)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(fā)現(xiàn)的。在實際情況下,偶爾能觀察到一個最大值得出現(xiàn),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(xiàn)具有不確定性,是最難以定量的一種現(xiàn)象,但一旦出現(xiàn),天然氣量偏差即在8%左右。
(4)多種流態(tài)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(chǎn)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(xiàn)為-股-股的氣流流動,并非穩(wěn)定的氣流聲音。以幾種情況正應(yīng)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(tài)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(chǎn)生:①管路中存在阻流件,包括調(diào)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(diào)峰設(shè)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(qū)分脈動流和氣流波動之間的區(qū)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(tài)不穩(wěn)。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(zhì),影響氣體流態(tài),特別是過濾裝置、整流裝置被雜質(zhì)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)差壓波動在2%以上就應(yīng)該注意是不是脈動流的影響,差壓波動在5%以上就應(yīng)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(tài)(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(jù)實際觀察,在管路阻流件在孔板計量裝置前,且阻流件為調(diào)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(tài)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(huán)節(jié)。①在設(shè)計時就要優(yōu)先考慮直管段長度,確保管路內(nèi)流體流態(tài)處于定常流圖1中的a b兩種狀態(tài)。②以穩(wěn)定的流量穩(wěn)定供氣,加裝調(diào)峰裝置,避免出現(xiàn)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(jié)流、調(diào)壓,需要在上游節(jié)流、調(diào)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(zhì)符合要求,不含粉塵、油污、水等雜質(zhì),在氣質(zhì)沒有保證的情況下,設(shè)計時應(yīng)該相應(yīng)提高技術(shù)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(shè)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(shù)的發(fā)展,有望解決非定常流狀態(tài)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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