科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在乙烷氣體貿(mào)易交接中的應(yīng)用研究

上海上自儀公司為了提高天然氣附加值，各油氣田紛紛采用深冷方式從天然氣中分離出乙烷氣體作為產(chǎn)品銷售。但乙烷氣體的組分、密度與常規(guī)的天然氣存在較大差異，致使貿(mào)易交接計(jì)量沒有可參照的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了提高乙烷氣體計(jì)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)選擇正確的測量方法，通過比較常用氣體流量計(jì)的測量原理，分析了壓縮因子計(jì)算的準(zhǔn)確度對氣體體積測量準(zhǔn)確度的影響程度，非常終推薦采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行乙烷氣體交接計(jì)量；同時(shí)結(jié)合質(zhì)量流量計(jì)的工作原理和現(xiàn)場實(shí)際使用過程中的經(jīng)驗(yàn)，對質(zhì)量流量計(jì)的檢定、安裝和使用等環(huán)節(jié)提出合理化建議，以便為更多天然氣附加產(chǎn)品的交接計(jì)量提供技術(shù)支撐。

乙烷與液化氣、穩(wěn)定輕烴和穩(wěn)定凝析油等原料相比，具有更高的乙烯轉(zhuǎn)換率，是優(yōu)質(zhì)的乙烯原料。近年來各油田公司通過對油氣田產(chǎn)出的天然氣進(jìn)行增壓深冷將乙烷氣體分離后輸送到煉化企業(yè)，作為乙烯生產(chǎn)的原料，提高天然氣的附加價(jià)值。作為交接產(chǎn)品的管輸乙烷氣體其組分、密度與管輸天然氣存在較大差異。目前天然氣交接計(jì)量過程中執(zhí)行國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不適用于乙烷氣體，需要探討適合乙烷氣體交接計(jì)量的測量方法，以確保乙烷氣體交接計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、公平、公正。

1 常用天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算方法

目前國際上天然氣貿(mào)易交接普遍采用超聲、渦輪、旋進(jìn)旋渦、孔板等計(jì)量儀表。其中超聲、渦 輪、旋進(jìn)旋渦等計(jì)量儀表直接測量均為氣體的工況體積量，然后通過氣體方程公式 （1） 對工況體積量Vg進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，非常終換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積量Vn進(jìn)行交接[1]。

式中：Vn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，Nm3；pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，0.101 325 Pa；Tn 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度（293.15），K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；Vg為工作狀態(tài)下的體積，m3；pg為工作狀態(tài)下的絕對壓力，Pa；Tg 為工作狀態(tài)下的絕對溫度 （273.15+ t），K；t為被測介質(zhì)攝氏溫度，℃；Zg為工作狀態(tài)下的壓縮因子。GB/T 21446—2008[2]《用標(biāo)準(zhǔn)孔板測量天然氣》中測量天然氣的質(zhì)量流量 qm 計(jì)算方法如公式 （2）和公式（3） 所示：式中： qm 為天然氣的質(zhì)量流量，kg；C 為流出系數(shù)，與節(jié)流裝置的幾何尺寸和雷諾數(shù)相關(guān)；β 為直徑比，孔板開孔直徑與上游測量管內(nèi)徑之比；ε為可膨脹系數(shù)，對于給定的計(jì)量裝置該值取決于流體靜壓、孔板前后差壓和等熵指數(shù)；d為孔板開孔直徑，m；Δp為孔板前后斷面差壓，Pa，可以采用差壓變送器準(zhǔn)確測量；ρ1為介質(zhì)工作狀態(tài)下的密度，kg/m3。由公式 （3） 計(jì)算得出：式中：M為干空氣的摩爾質(zhì)量，值為28.962 6 kg/kmol；G為天然氣真實(shí)相對密度；R為通用氣體常數(shù)，值為0.008314 51 MPa·m3/(kmol·K)；Za為干空氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子，值為0.999 63。

式 （1）（2）（3） 中 pn、Tn、M、Za、R、C、d、β等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、絕對溫度、通用氣體常數(shù)等常數(shù)或與流量計(jì)尺寸相關(guān)的常量，取值確定，不影響計(jì)量值的準(zhǔn)確度。而Vg、pg、Tg、Zn、Zg 等為變量，其 測 量 的準(zhǔn) 確 度 直 接 影 響 計(jì) 量 值 的 準(zhǔn) 確 度 。GB18603《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》 附錄 A對以上 變 量 的 準(zhǔn) 確 度提 出 明 確 的 要 求[3]。

表中溫度、壓力、工作條件下的體積流量均為直接測量參數(shù)，并且可以通過選用高精度的測量儀表降低測量誤差。而氣體的壓縮因子是一個(gè)非直接測量量，其大小與氣體的組分、高位發(fā)熱量、相對密度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)相關(guān)。

2 壓縮因子對氣體標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算的影響

目前國際上推薦采用 AGA8-92DC 和 SGERG-88 方程計(jì)算工作狀態(tài)下天然氣壓縮因子。我國起草發(fā)布 《天然氣壓縮因子的計(jì)算》 GB/T 17747—2011 也采用以上兩種不同方法計(jì)算天然氣壓縮因子。國際上多數(shù)流量計(jì)生產(chǎn)廠家在流量計(jì)算機(jī)中置入以上兩種壓縮因子計(jì)算軟件。但是兩種壓縮因子計(jì)算方法對管輸天然氣的組成范圍有所限制，當(dāng)天然氣中乙烷含量超出 20% 后，計(jì)算的壓縮因子不確定度≥0.5%。通常管輸乙烷氣體中乙烷含量≥95%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出AGA8-92DC 和 SGERG-88 方程的適用范圍。壓縮因子計(jì)算的不確定度難以估算，直接影響交接計(jì)量量的不確定度[4-6]。

3 質(zhì)量流量計(jì)工作原理

由于乙烷氣體壓縮因子計(jì)算的不確定度難以估計(jì)，因此在流量計(jì)選型過程中應(yīng)該避開壓縮因子計(jì)算過程，建議選擇科里奧利質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量乙烷氣體。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì) （簡稱科氏力流量計(jì)） 是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表。流量計(jì)由振動(dòng)管、電磁驅(qū)動(dòng)器和檢測器組成。振動(dòng)管 （測量管道） 是敏感器件，有 U 形、Ω 形、環(huán)形、直管形及螺旋形等幾種形狀，振動(dòng)管有單管、雙管和多管等形式，但基本原理相同[7]。

U形管式科氏力流量計(jì)的測量原理如圖1所示。 U 形管的兩個(gè)開口端固定，流體由此流入和流出。 U形管頂端裝有電磁驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)U形管沿垂直于U形管所在平面的方向以O(shè)-O為軸按固有頻率振動(dòng)。U形管的振動(dòng)迫使管中流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨管道作垂直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體將受到科氏力的作用，同時(shí)流體以反作用力作用于U形管。流體在U形管兩側(cè)的流動(dòng)方向相反，所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反，從而使U形管受到一個(gè)力矩的作用，使得振動(dòng)管繞 R-R 軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過流量計(jì)的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。檢測器測得這個(gè)變形量，即可測得管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量。

科里奧利流量計(jì)可以將被檢測的流體質(zhì)量流量直接體現(xiàn)出來，質(zhì)量作為物質(zhì)本身的屬性其大小不隨溫度、壓力等參數(shù)改變而改變，計(jì)量數(shù)據(jù)可直接用于供需雙方交接計(jì)量。此外可以準(zhǔn)確測量氣體組分，采用 GB/T 11062—2014《天然氣 發(fā)熱量、密 度、相對密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》準(zhǔn)確計(jì)算乙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，進(jìn)而得到氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，甚至熱值流量。

4 存在的問題及建議

4.1 檢定問題

由于氣體實(shí)流檢定成本高，送檢周期長，因此質(zhì)量流量計(jì)的用戶通常選擇采用液體 （水） 對流量計(jì)進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)。針對液體檢定的數(shù)據(jù)是否能夠真實(shí)反映氣體介質(zhì)運(yùn)行工況下的計(jì)量性能，在設(shè)備投用前分別采用水和天然氣兩種介質(zhì)對相同型號(hào)的2臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行了檢定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知：

（1） 同一臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)用于液體計(jì)量的準(zhǔn)確度要高于氣體計(jì)量的準(zhǔn)確度。其主要原因是氣體的密度要遠(yuǎn)低于液體密度，因此計(jì)量氣體時(shí)，瞬時(shí)流量通常低于流量計(jì)非常大量程的 1/3，超出計(jì)量儀表的非常佳運(yùn)行范圍。

（2） 循環(huán)水標(biāo)定的數(shù)據(jù)如不超出流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)的要求，氣體校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)也能保持在測量氣體規(guī)定的準(zhǔn)確度等級(jí)范圍內(nèi)。建議計(jì)量乙烷氣體的質(zhì)量流量計(jì)在不具備實(shí)流檢定條件的情況下，可采用循環(huán)水進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，但檢定和校準(zhǔn)的流量點(diǎn)應(yīng)接近實(shí)際運(yùn)行工況下的質(zhì)量流量，并按照液體計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。

4.2 消除安裝應(yīng)力

由于管道伸縮變形會(huì)造成應(yīng)力，使得傳感器零點(diǎn)發(fā)生變化，影響測量準(zhǔn)確度。因此質(zhì)量流量計(jì)在安裝過程應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 傳感器的安裝位置避開由于溫度變化可能引起伸縮和變形較大的工藝管段。

（2） 傳感器安裝法蘭必須與管道法蘭同軸連接以減小安裝應(yīng)力，保證測量準(zhǔn)確度。

（3） 應(yīng)保證與傳感器上游、下游鏈接的管道有穩(wěn)固支撐物，支撐桿應(yīng)以傳感器為中心對稱分布，支撐桿與基礎(chǔ)牢固連接。傳感器安裝位置附近管道線上的閥門或泵都需要有其自己的支撐物，不與傳感器共用同一支撐物。

（4） 為消除安裝應(yīng)力，安裝傳感器時(shí)應(yīng)先配管，將工藝管線、閥門與傳感器整體預(yù)先安裝好并吊裝，再將其與工藝主管線焊接，焊接時(shí)應(yīng)使傳感器、閥門及工藝主管線處于同一鉛垂面內(nèi)[9]。

4.3 壓力補(bǔ)償

壓力影響定義為過程壓力偏離檢定/校準(zhǔn)壓力而引起的傳感器靈敏度的變化[10]。流體過程壓力增大會(huì)使測量振動(dòng)管呈繃緊現(xiàn)象，這種壓力效應(yīng)雖然影響量很小，但是當(dāng)使用時(shí)過程壓力與標(biāo)定壓力相差很大時(shí)，對于高精度質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響還是不容忽視的，尤其是對于管徑大、測量管壁厚小的質(zhì)量流量計(jì)影響更大。日常工作中的壓力補(bǔ)償方法有流量系數(shù)標(biāo)定法、靜態(tài)壓力補(bǔ)償法和動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償法。具體方法可以根據(jù)現(xiàn)場的運(yùn)行工作，參照廠家的說明書進(jìn)行補(bǔ)償。對于運(yùn)行壓力相對穩(wěn)定的計(jì)量工藝，可采用靜態(tài)壓力補(bǔ)償法。根據(jù)廠家提供的流量計(jì)產(chǎn)品樣本，可以查閱到需要進(jìn)行靜態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)型號(hào)，并且分別找出壓力對流量和密度影響的系數(shù)，然后用 HART 手抄器或 ProLinkII 2.0 軟件寫入流量計(jì)。

4.4 避免雜質(zhì)聚集

測量管內(nèi)壁磨損腐蝕或沉積結(jié)垢會(huì)影響測量精度，對于計(jì)量介質(zhì)為氣體的質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)采用外殼朝上水平安裝、傾斜 45 °或垂直安裝傳感器 3種方式，如圖 2 所示，避免冷凝液聚積在傳感器振動(dòng)管內(nèi)。圖2 質(zhì)量流量計(jì)用氣體計(jì)量的安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of gas metering in the mass flowmeter

4.5 避免天然氣水合物

在一定壓力、溫度下，天然氣中的某些成分與水生成一種外形像冰的籠形化合物。氣體壓力的波動(dòng)、流速突變產(chǎn)生攪動(dòng)會(huì)加速水合物的形成，氣體的相對密度越大生成水合物的溫度范圍越寬?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)振動(dòng)管內(nèi)徑細(xì)小，在管路中屬于節(jié)流元件，對氣流有一定的擾動(dòng)，乙烷氣體相對密度較天然氣大，在計(jì)量裝置前后很容易形成水合物阻塞管路。因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能減少計(jì)量線路中阻流件的設(shè)置，必要時(shí)需要對流量計(jì)進(jìn)行保溫，避開水合物形成的溫度及壓力范圍[11-16]。

5 結(jié)束語

乙烷交接計(jì)量目前尚無可以遵循的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SYT 6659—2016《用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定適用的天然氣相對密度范圍為 0.554~0.870，商品乙烷氣體的相對密度超出了該范圍，被排除在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍外。但是該標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量轉(zhuǎn)換體積量的計(jì)算方法并不涉及壓縮因子的計(jì)算，從理論上講對氣體的真實(shí)相對密度不應(yīng)該有所限制。如果將該標(biāo)準(zhǔn)氣體的適用范圍擴(kuò)大，乙烷交接計(jì)量就有據(jù)可循了。乙烷氣體交接計(jì)量的測量方法不應(yīng)僅局限于質(zhì)量流量計(jì)的測量方法，上海上自儀公司可以進(jìn)一步探索乙烷氣體壓縮因子計(jì)算方法，對 GB/T 17747 適用范圍進(jìn)行補(bǔ)充，從而為乙烷氣體交接計(jì)量器具選擇的多樣性提供技術(shù)支撐。