天然气组分对流量计计量的影响

1 流量计工作原理

1.1 孔板流量计

孔板流量计计量系统主要由节流装置、差压变送器、压力变送器和温度变送器构成，通过测量在孔板上下游两侧形成的静压差，从而计算出天然气的工况流量，并统一到标准参比条件下的体积量。

标准参比条件下的体积流量按下式计算：

    （1）

式中：

q_n—天然气在标准参比条件下的体积流量，m3/s；

A_h—体积流量计量系数，取3.1794´10^-6；

C—流出系数，在一定的安装条件下，对于给定的节流装置，该值仅与雷诺数有关：

当孔板直径D<71.12时，公式中还应增加项的值。其中：

β—为孔板开孔直径与上游测量管内径之比，，Re—管径雷诺数，

L₁—孔板上游断面到上游取压孔轴线的距离除以测量管内径得出的商，L₁=l₁/D；L₂—孔板下游断面到下游取压孔轴线的距离除以测量管内径得出的商，L₂=l₂/D；d—孔板开孔直径，d=d₂₀[1+Λ_d（t₁-t₂₀），其中d₂₀为孔板开孔在20℃±2℃条件下的检测直径，mm；Λ_d为孔板材料的线膨胀系数，mm/mm.℃；t₁为天然气流过节流装置时实测的气流温度，℃；t₂₀为检测时恒温室温度，℃。

E—渐近速度系数，

F_G—相对密度系数，，其中Gr为天然气真实相对密度；

F_Z—天然气压缩性系数，

F_T—流动温度系数，是天然气流经节流装置时，气流的平均热力学温度T₁偏离标准参比条件热力学温度而导出的修正系数，，T₁=t₁+273.15；

ε—可膨胀性系数，用以修正天然气通过孔板时因密度的变化而引起的流量变化，

其中P₁为孔板上游气流的绝对静压；P₂为孔板下游气流的绝对静压；k为等熵指数，c_p为甲烷的定压比热容，c_v为甲烷的定容比热容；

p₁—孔板上游侧取压孔实测的绝对压力，其值用绝对压力表测量，kPa；

Δp—气体流经孔板时产生的压差，该压力值由差压变送器在线实时测量，kPa。

1.2 超声波流量计

超声波流量计计量系统主要由流量计本体、信号处理单元、流量计算机、压力变送器和温度变送器构成，通过测量超声波在管道天然气流中顺流和逆流的传播时间，从而计算出天然气的工况流量，并统一到标准参比条件下的体积量。

标准参比条件下的体积流量按下式计算：

    （2）

式中：q_n—标准参比条件下的体积流量，m³/s；

q_f—工作条件下的体积流量，m³/s；

P_f—工作条件下的绝对静压力，该压力值由压力变送器在线实时测量，kPa；

T_f—工作条件下的气体热力学温度，该温度值由温度变送器在线实时测量，K；

Pn—标准参比条件下的绝对静压力，取值101.325kPa；

Tn—标准参比条件下的气体热力学温度，取值293.15K。

1.3 涡轮流量计

涡轮流量计计量系统主要由流量计本体、前置放大单元、流量计算机、压力变送器和温度变送器构成，通过记录旋转速度与流量大小成正比的叶轮的旋转圈数，从而计算出天然气的工况流量，并统一到标准参比条件下的体积量。

标准参比条件下的体积流量按下式计算：

    （3）

式中：q_n—标准参比条件下的体积流量，m³/s；

f—输出工作频率，Hz；

K—系数，1/m³，根据检定证书出具数据设置；

P_f—工作条件下的绝对静压力，通过绝压仪表测量，kPa；

Pn—标准参比条件下的绝对静压力，其值为101.325kPa；

T_f—工作条件下的气体绝对温度，通过温度仪表测量，K；

Tn—标准参比条件下的气体热力学温度，293.15K。

2 气体组分对各流量计计量影响分析

2.1 压缩系数的计算公式

根据GB11062-98《天然气发热量、密度和相对密度的计算方法》中给出了标准状态下的压缩系数Zn的计算方法，其计算公式为：

     （4）

式中，y_i为i的摩尔分数；为天然气i组分的求和因子。

工作状态下的压缩系数计算公式为

    （5）

式中：p为气体压力，MPa；T为气体温度，K；Δ为气体的相对密度。

天然气理想相对密度计算公式为

    （6）

式中：d₀为理想气体的相对密度；Mi为组分i的摩尔质量；Mair为标准组成的干空气的摩尔质量，取28.9626kg.kmol-1

天然气真实相对密度计算公式

    （7）

式中，Z_air为标准组成的干空气的压缩因子。

2.2 条件假设

结合库尔勒天然气分输站的实际情况，取孔板流量计的运行参数为：p₁=2.89MPa，Δp=3.55kPa，D=200mm，d=58mm，T=302.85K。

涡轮流量计的运行参数：Pn=0.101325MPa，Tn=293.15K，P_f=2.89MPa，T_f=298.15K，K=13043.56m³。

超声波流量计的运行参数：Pn=0.101325MPa，Tn=293.15K，Pf=2.89MPa，Tf=298.15K.

2.3 理论分析各组分对压缩因子影响

天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体，以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷占绝大部分，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷含量不多；所含少量非烃类气体一般有二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气和硫化氢等。

为了便于分析，我们取一组天然气作为基准（如表1），让各组分分别增加1%，编写MATLAB程序，计算出相应的压缩因子，画出曲线并分析各组分对压缩因子、相对密度及流量的影响。为了保证摩尔浓度的归一性，由某组分变化引起的不平衡量，按摩尔浓度权重附加在其他组分上。各组分摩尔分数改变对流量计影响如图1-8所示。

表1 天然气组分

图1 甲烷摩尔分数变化对计量影响

图2 乙烷摩尔分数变化对计量影响

图3 丙烷摩尔分数变化对计量影响

图4 丁烷摩尔分数变化对计量影响

图5 戊烷摩尔分数变化对计量影响

图6 己烷摩尔分数变化对计量影响

图7 二氧化碳摩尔分数变化对计量影响

图8 氮气摩尔分数变化对计量影响

2.4 结果分析

根据上面的计算结果，统计出在假设条件下，单组分测量不准确导致参与计算的气体组分参数与实际组分含量偏差1%，引起的计量结果偏差见表2：

表2 各组分对孔板、超声波和涡轮流量计量的影响量

从实验结果中可以看出：天然气中各组分测量的精确度对孔板流量计影响较大，对涡轮和超声波流量计的影响相对较小，并且组分的摩尔质量越大，其影响力越大。

我们通过假设来分析天然气组分对流量计量的影响：如果天然气流量为60000m³/h，甲烷摩尔浓度的误差达1%，则孔板流量计计量的误差为-210m³/h，年损失量将达到-200万方，超声波和涡轮流量计计量误差为54m³/h，年损失量将达到50万方。这只是分析了甲烷摩尔浓度的误差为1%所造成的影响，在实际中，可能各组分分析都会存在一些误差，造成的计量误差将会更大。

3 结论

通过理论计算，分析了天然气各组分的变化对孔板、超声波和涡轮流量计计量的影响，得出精确计量的有效途径：在不影响下游用户安全用气的前提下，加强天然气组分分析精度，提高计量的准确度，同时，我们可以修复在线色谱分析仪对输送的天然气组分进行实时监测，分析并掌握组分含量对流量计量的影响，实现精准计量和效益最大化。