利用流量計進(jìn)行天然氣計量中壓縮因子的修正

由于天然氣計量涉及相關(guān)各方利益，其交界面流量數(shù)據(jù)被各方關(guān)注。上海自儀公司國內(nèi)超聲流量計使用逐年遞增，但工作條件下的壓縮因子經(jīng)常變化，造成了輸出數(shù)據(jù)偏差。天然氣組分作為壓縮因子的影響因素之一，國內(nèi)很少對其進(jìn)行在線分析，因此無法實時調(diào)整壓縮因子數(shù)值，而對于生產(chǎn)方來說，根據(jù)生產(chǎn)條件和組分變化對壓縮因子進(jìn)行適時計算和調(diào)整是必要的。介紹了某平臺天燃?xì)馔廨數(shù)挠嬃糠椒ǎ瑝嚎s因子的影響因素、計算方法及其修正，以準(zhǔn)確反映外輸天然氣實際流量。近年來，隨著國家環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，煤炭消耗受到越來越多的限制，天然氣在我國能源戰(zhàn)略中的地位逐步凸顯，東海、南海的油氣田項目逐漸增多。由于海底地質(zhì)情況復(fù)雜，生產(chǎn)中天然氣組分和生產(chǎn)工況與設(shè)計組分和設(shè)計工況會有較大差別，而平臺外輸流量計則是依據(jù)設(shè)計組分和設(shè)計工況進(jìn)行選型安裝的。這就造成了外輸天然氣計量出現(xiàn)問題，生產(chǎn)方無法掌握可靠數(shù)據(jù)。對東海某氣田平臺（以下簡稱“LSGP”）在實際生產(chǎn)中遇到的問題進(jìn)行解析，并找到解決方法。生產(chǎn)方在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)平臺超聲流量計顯示數(shù)值大于設(shè)計正常值，與陸上終端接收站的渦街流量計讀數(shù)也有較大偏差，而終端渦街流量計已設(shè)置溫壓補(bǔ)償，并且終端工程師對計量數(shù)據(jù)與自耗氣、干氣產(chǎn)量、副產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行了分析，物料平衡較為吻合。因此，工程人員認(rèn)為渦街流量計計量較為準(zhǔn)確, 平臺超聲流量計可能存在計量不準(zhǔn)確的問題。超聲流量計在流程圖中的設(shè)置經(jīng)實地勘察，現(xiàn)場該超聲流量計已按照圖 1 裝設(shè)溫度傳感器和壓力傳感器，可以實時進(jìn)行體積流量換算，且現(xiàn)場設(shè)備布置符合流量計安裝要求。

1 天然氣計量方法

天然氣輸量計算可劃分為一、二、三級：一級計量應(yīng)用于氣田外輸氣的貿(mào)易交接計量；二級計量應(yīng)用于氣田內(nèi)部集氣過程的生產(chǎn)計量；三級計量應(yīng)用于氣田內(nèi)部生產(chǎn)和生活計量。

平臺生產(chǎn)天然氣通過海管輸至陸上終端進(jìn)行處理，因此平臺外輸屬于二級計量，其系統(tǒng)允許偏差為±5%。天然氣計量實際上是天然氣流量的測量，是在天然氣流動過程中間接測量的，測量的準(zhǔn)確度取決于整套測量系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、操作和維護(hù)等全過程的質(zhì)量。目前，天然氣計量方式主要有孔板流量計、渦街流量計、超聲波氣體流量計、設(shè)置雙流量計相互校驗及其他新型流量計量技術(shù) [2] 。在國內(nèi)，雖然孔板流量計仍占主導(dǎo)地位，但超聲流量計使用數(shù)量逐年遞增。LSGP 天然氣外輸計量器采用外夾式超聲波流量計，其原理是在管道內(nèi)或管道外與軸向成一定方向的一組換能器進(jìn)行傳送和接受聲脈沖，順流傳送的低聲脈沖被氣體加速，逆流傳送的聲脈沖則被減速，時間差與氣體軸向平均流速有關(guān)，因此通過數(shù)值計算可得到氣體流量。其優(yōu)點是測量準(zhǔn)確度高、范圍寬、無壓損、無可動部件、安裝使用費(fèi)低等。為了便于計量，流量計讀數(shù)一般通過內(nèi)部組態(tài)換算為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，標(biāo)準(zhǔn)參比條件規(guī)定為：絕對壓力為 101.325 kPa，溫度為 20℃，干基 [3] 。

（1）進(jìn)行計算。

式中：q n 為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時體積流量，m 3 /h；q f為工作條件下的瞬時體積流量，m 3 /h；p n 為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對壓力，MPa；p f 為工作條件下的絕對靜壓力，MPa；T n 為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；T f為工作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Z n 為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子；Z f 為工作條件下的壓縮因子。由公式（1）可以看出，除了溫度壓力換算外，還有一項壓縮因子的校正。標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子（Z n ）由天然氣組分變化引起的變化非常小，趨近于 1，可以忽略不計。但在中高壓工作條件下，尤其是地下開采出來的天然氣，其組分變化以及生產(chǎn)工況的壓力、溫度變化波動較大，導(dǎo)致工作條件下的壓縮因子（Z f ）持續(xù)動態(tài)變化；由于其數(shù)值變化較大，因此影響不可忽略。

現(xiàn)場儀表系統(tǒng)后臺組態(tài)中并未對 Z f 進(jìn)行實時調(diào)整，組態(tài)中的壓縮因子為設(shè)計階段根據(jù)設(shè)計工況及設(shè)計組分，通過HYSYS 模擬軟件計算得到，數(shù)值為 0.778 9。儀表顯示值雖然經(jīng)過溫度、壓力實時換算，但由于公式（1）中 Z f 的值一直未進(jìn)行調(diào)整，這就造成了較大偏差，不能準(zhǔn)確反映實際流量。因此，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工況及組分變化情況，重新確定壓縮因子的數(shù)值。

2 壓縮因子

2.1 壓縮因子影響因素

壓縮因子的影響因素主要有溫度、壓力、氣體組成 [4] ，因此需要對上述 3 個因素進(jìn)行調(diào)整。溫度、壓力可以通過傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測，輸出至計算系統(tǒng)參與計算。但現(xiàn)場沒有在線色譜分析儀器，因此無法對壓縮因子進(jìn)行調(diào)整，只能先取樣再對其進(jìn)行離線分析。

2.2 壓縮因子計算方法

公式（1）中壓縮因子的計算方法很多，主要有通過儀器測定、通過狀態(tài)方程計算、用經(jīng)驗公式計算、用 StandingKatz圖版確定等 [5] 。HYSYS 模擬計算一般根據(jù)物性選擇不同狀態(tài)方程進(jìn)行模擬，其物性是根據(jù)不同物質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)擬合而得，誤差較大。

GB/T 17747.1—2011 《天然氣壓縮因子的計算第 1 部分：導(dǎo)論和指南》中推薦利用 AGA8- 92DC 和SGERG- 88法進(jìn)行計算。這 2 種方法計算精度較高，AGA8- 92DC 計算方法要求對氣體進(jìn)行詳細(xì)的物質(zhì)的量組成分析，SGERG- 88 計算方法用高位發(fā)熱量和相對密度兩個物理性質(zhì)及 CO 2 的含量作為輸入數(shù)據(jù)。對于中高壓含碳貧氣，AGA8- 92DC方法的計算精確度較高，計算誤差在 0.5%以內(nèi)；同時，當(dāng)氣體溫度升高時，該方法的計算誤差將有所減少 。

綜上所述，AGA8- 92DC 方法更適合本次計算。

通過 Visual Basic 編寫程序驗證計算精度并計算所需壓縮因子。

2.3 壓縮因子計算

選取 GB/T 17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計算 第 2 部分：用摩爾組成進(jìn)行計算》附錄 C 中表C.1 中 3 # 氣樣、5 # 氣樣的氣體組成輸入程序進(jìn)行計算。不同工況下的計算結(jié)果與附錄 C 中表 C.2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。

結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中所給真值相同，精度較高，表明軟件計算結(jié)果可靠。根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)計算壓縮因子，其值為 0.84844，輸入及輸出界面見圖 2。原始設(shè)計中壓縮因子取值為 0.7789，目前生產(chǎn)狀況下，其值偏高達(dá) 8.9%。若超聲流量計組態(tài)中還是選取原設(shè)計值，就會造成流量計輸出值偏高。因此，定期校正組態(tài)中的壓縮因子數(shù)值非常必要。

3 結(jié)語

由于 AGA8- 92DC 方法具有更高的可靠性，建議工藝向儀表提條件時通過 AGA8- 92DC 計算壓縮因子，使輸入條件更加精確。

項目實施后，生產(chǎn)方應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)條件變化和天然氣產(chǎn)品組分的變化，適時調(diào)整超聲流量計中的壓縮因子數(shù)值，保證輸出流量的準(zhǔn)確性。上海自儀公司對于計量要求較高的位置，可安裝在線色譜儀，將組分?jǐn)?shù)據(jù)和監(jiān)測的溫度、壓力值輸入到上位機(jī)中進(jìn)行計算，然后通過遠(yuǎn)程通信的方式更新超聲波氣體流量計中的參數(shù)，這樣就可以及時調(diào)整超聲流量計輸出數(shù)值，滿足精度要求。