天然氣流量計算——關(guān)于對國家標準《GB/T 21446-2008 用標準孔板流量計測量天然氣流量》的探討

北京安控科技股份有限公司 李永成

1 引言

在天然氣集輸過程中，配氣站是天然氣外輸?shù)淖罱K環(huán)節(jié)，配氣站的天然氣計量至關(guān)重要，計量準確與否不但影響天然氣供需雙方的經(jīng)濟利益，而且影響計量交接、氣量結(jié)算、企業(yè)信譽。由于天然氣計量的難度遠遠高于液體計量，計量結(jié)果的影響因素繁多，計算公式復(fù)雜，因此，采用高準確度的自動計量是供需雙方的迫切要求，也是計量技術(shù)新發(fā)展的迫切需要。計量的準確性取決于三個方面的要素：

? 設(shè)備安裝是否規(guī)范。

? 信號采集是否穩(wěn)定可靠，誤差是否符合標準。

? 計算誤差是否符合標準。

對于生產(chǎn)計算設(shè)備的廠家來說，主要考慮2、3要素，如北京安控科技股份有限公司（以下簡稱“安控科技”）的天然氣流量計算機HC601，首先要求信號采集穩(wěn)定可靠，精度達到1‰；其次要求計算誤差小于1‰。筆者在實踐過程中，總結(jié)了以下幾點。

2 編寫計算流程容易忽略的問題

我國推行的標準是《GB/T21446-2008 用標準孔板流量計測量天然氣流量》，這個標準并沒有提供公開的核準軟件，各鑒定機構(gòu)核準計算數(shù)據(jù)的方式不盡相同，影響計算結(jié)果的因素又較多，稍有不慎就有偏差超過1‰的可能。盡管將計算程序編寫出來，計算的結(jié)果也能符合標準的實例，但是往往因為沒有行業(yè)經(jīng)驗，很容易忽略兩個問題：

（1）尖銳度計算

由于國內(nèi)孔板材質(zhì)較差，孔板只是在最初使用時才可能符合標準要求，使用一段時間后孔板的入口邊緣的磨損加劇，在孔板的上下游產(chǎn)生的差壓減少，使流量計算的結(jié)果比實際流量偏小，根據(jù)標準《GB/T21446-2008》6.1.6.2的解釋，當rK大于0.0004d時，參見附錄D處理。其中rK表示孔板直角入口邊緣圓弧半徑，d為孔板直徑。標準《GB/T21446-2008》附錄D明確了處理辦法，當rK/d>0.0004時，推薦更換新孔板，若不更換，則必須糾正流出系數(shù)C，糾正公式如下：

bK與rK/d 的關(guān)系，如表1所示。

表1 bK與rK/d 的關(guān)系

在生產(chǎn)過程中，一般使用孔板年限作為尖銳度計算的輸入?yún)?shù)，那么孔板年限t的取值為0~+∞，實際情況下孔板使用超過10年就得更換，這里不展開詳述。從公式可以看出，當t=0時，rK=0.03mm，即使是新孔板，只要d≤75mm，都需要糾正流出系數(shù)，這與實際陳述有矛盾，或許此公式的成立必有特定條件，比如d必須大于75mm，但是標準中并沒有特別說明，除非不用此公式，通過實測來獲得rK，在生產(chǎn)過程中實測rK是比較困難的，不利于生產(chǎn)。我們的經(jīng)驗做法是將新孔板定義為1個月，所有新孔板，當在一個月內(nèi)使用，不需要糾正流出系數(shù)。

（2）粗糙度計算

在計量標準中規(guī)定節(jié)流裝置的前后直管段必需是光管，但現(xiàn)場施工時往往采用的是無縫鋼管代替了光管，一開始就達不到標準要求，使用一段時間后，管線磨損加劇，管壁銹蝕斑斑，特別在管道含硫、二氧化碳等腐蝕介質(zhì)時，管道粗糙度更加偏離，需要糾正流出系數(shù)。

當然，需要糾正流出系數(shù)C還需要一個前提條件，當直管段內(nèi)壁粗糙度滿足104Ra/D計算的值小于或等于表2給出的最大值并大于或等于表3給出的最小值，不需要糾正流出系數(shù)。

上式中，K為鋼管內(nèi)壁絕對粗糙度，可以測量出來，計算時需要輸入此值；D為測量管內(nèi)直徑。

表2 104Ra/D的最大值

表3 104Ra/D的最小值

在使用過程中如對上游10D的直管段內(nèi)壁進行檢測，其內(nèi)壁粗糙度不符合表2、表3的規(guī)定，參見標準《GB/T 21446-2008》的附錄D處理。

在不符合表2、表3規(guī)定時，分析以下條件是否滿足：

1> 1μm≤Ra≤6μm，D≥150mm，β≤0.6，ReD≤5×107；

2> 1.5μm≤Ra≤6μm，D≥150mm，β>0.6，ReD≤5×107。

滿足以上2條件不需要糾正流出系數(shù)C，其它情況下需要糾正流出系數(shù)。

附錄D處理公式如下：

當ReD≥106時，γRe=γ0。

γ0與直徑比β2和相對粗糙度的倒數(shù)D/K有關(guān)，見表4。

表4 γ0與直徑比β2和相對粗糙度的倒數(shù)D/K相關(guān)值

從這個表分析D/K 下界是400，上界+∞ ，從結(jié)果分析只要≥3200，γ0都是1，生產(chǎn)過程中，很可能會遇到D/K<400的現(xiàn)象，標準沒有給出明確的解決辦法。按照標準應(yīng)用，不應(yīng)該出現(xiàn)此類現(xiàn)象。事實上測量管內(nèi)徑越小，要求內(nèi)壁粗糙度越小，才能滿足計量要求，否則需要更換。

總之，這兩個問題是很容易被忽略的，影響流出系數(shù)的整體公式如下：

這兩個因素對計量的準確度超過了估計值，因此必須考慮。

3 如何計算未知組分的天然氣流量

國家標準《GB/T 17747.3-1999 天然氣壓縮因子的計算第三部分：用物性值進行計算 》，適應(yīng)無法得到氣體摩爾組分來計算天然氣的壓縮因子。通過該標準，可以計算出壓縮因子，但是無法計算出流量。我們知道計算天然氣流量，不僅與壓縮因子有關(guān)系，還與其它因子也有關(guān)系，下面來看計算天然氣流量的公式：

標準參比條件下的體積流量

利用《GB/T 17747.3-1999》標準，可以計算出Z1，但是無法計算出Zn，Zn的計算公式如下：

Xj：天然氣組分的摩爾分數(shù)，由氣分析給出；

n：天然氣組分總數(shù)，目前有21種。

因為無法獲得組分，因此Zn無法求出，流量計算的結(jié)果也就無法得到，在標準中再沒有其它公式可以直接獲得Zn。根據(jù)我們掌握的知識以及標準提供的公式可以推導(dǎo)如下：

物性值計算參數(shù)輸入： d，Hs，Xco2（二氧化碳組分），XH2（氫氣組分）。

其中，相對密度d是指在相同的規(guī)定壓力和溫度的條件下，氣體的密度除以具有標準組成的干空氣的密度。這里的規(guī)定條件是273.15K，101.325kPa。

① 計算標況下真實氣體密度

ρn（真實氣體密度）=d*ρn（干空氣真實密度） （9）

ρn（干空氣真實密度）=1.292932kg.m-3（10）

② 計算摩爾質(zhì)量

ρ（質(zhì)量密度）=M*ρm（摩爾密度） （11）

在標況下計算摩爾質(zhì)量

M=ρn（真實氣體密度）/ ρm,n（摩爾密度） （12）

③ 計算標況下摩爾密度（ρm,n）

根據(jù)GB/T 17747.3-1999（公式B4），得出摩爾密度與Bn(v)的關(guān)系，迭代計算出摩爾密度，公式如下：

Vm,n（理想）=RTn/Pn（13）

根據(jù)迭代首先計算出等價烴摩爾發(fā)熱量，然后將結(jié)果代入計算出新Bn(v)，再次重復(fù)迭代計算出Bn(v)，迭代結(jié)束，Bn(v)結(jié)果已知，從而獲得標準狀態(tài)下的摩爾密度ρm,n，代入式（12），可求得摩爾質(zhì)量M。

④ 計算理想氣體相對密度

根據(jù)摩爾質(zhì)量和以下公式，可以算得天然氣理想相對密度Gi

Ma（干空氣摩爾質(zhì)量，常數(shù)28.9626）

⑤ 計算Gr真實天然氣相對密度和Zn，在標準參比條件（293.15，101.325kPa）下：

再根據(jù)

這里d是輸入?yún)?shù)，Gr可以計算出來，代入式GB/T 21446-2008 (A.7)，可得出：

Za表示干空氣在標準參比條件下的壓縮因子，常數(shù)0.99963，Zn獲得，F(xiàn)z可以計算出來，其它量根據(jù)標準可以計算出來，從而在未知天燃氣組分的條件下，可以計算出天然氣的流量。

⑥ 數(shù)據(jù)驗證

根據(jù)以上的公式，進行實際演算。用已知組分、壓力、差壓、溫度等參數(shù)，在相同條件下的同組氣體，使用標準《GB/T 17747.2-1999 天然氣壓縮因子的計算 第二部分：用摩爾組分進行計算》和《GB/T 17747.3-1999 天然氣壓縮因子的計算 第三部分：用物性值進行計算》兩種方式計算壓縮因子，并計算相應(yīng)的流量，通過對比發(fā)現(xiàn)，兩種計算誤差不會超過1‰，符合標準的不確定度。見表5，相同條件下用孔板計量6組氣樣作對比：

差壓ΔP=5000Pa，壓力P1=10MP， 溫度T=15℃，管徑50mm，β=0.75，孔板年限0年，管壁粗糙度0.0，當?shù)卮髿鈮?.0965MPa，法蘭取壓，孔板材料膨脹系數(shù)16.60×10-6，測量管膨脹系數(shù)11.16×10-6。

表5 GB/T 17747.3-1999算法輸入條件

表6 GB/T 17747.2-1999算法輸入條件

六組氣樣，相對密度系數(shù)d與高位發(fā)熱量Hs都可以通過摩爾組分計算出來，這里不細說。

表7 體積秒瞬量計量結(jié)果比較

4 計算秒體積發(fā)熱量比計算秒質(zhì)量發(fā)熱量大的原因

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，用于發(fā)電、供暖、烹飪等行業(yè)，同時還是國家的重要化工原材料。對用于燃燒發(fā)熱的行業(yè)來說，發(fā)熱量是用戶最關(guān)心的，在相同條件下，同樣體積的氣體，由于氣體成分不相同，發(fā)熱量就不一樣，有的天然氣發(fā)熱量高，有的天然氣發(fā)熱量低。各地生產(chǎn)的天然氣的組分不盡相同，如用體積計量，用戶所用氣體組分不同，完成相同任務(wù)，使用的天然氣數(shù)量不一樣，付費也就不一樣。為了體現(xiàn)公平，計量氣體的發(fā)熱量就成為供需雙方共同關(guān)心的焦點，用戶可以按照發(fā)熱量進行付費。

按照標準《GB/T 21446-2008》計量天然氣發(fā)熱量時，我們發(fā)現(xiàn)每秒體積發(fā)熱量與每秒質(zhì)量發(fā)熱量有一點差別，并且每秒體積發(fā)熱量總是稍大于每秒質(zhì)量發(fā)熱量。按道理天然氣流經(jīng)孔板計量的流量，不管用體積計量還是質(zhì)量計量，發(fā)熱量總是相等，但事實上演算得到的結(jié)論是不相等。

比如：我們用上述1#氣樣，孔板計量體積流量是1.0838m3/秒，質(zhì)量流量是0.7587kg/秒，秒體積發(fā)熱量是41.0642MJ/秒，秒質(zhì)量發(fā)熱量是41.0638MJ/秒，差0.0004MJ/秒 。

究其原因如下：

① 標準參比條件下，天然氣體積發(fā)熱量

qevns：表示每秒體積發(fā)熱量

Hs：表示摩爾發(fā)熱量

Pn：常數(shù)0.101325MPa

Tn：常數(shù)293.15K

R：常數(shù)0.00831451

Zn：天然氣在標準參比條件下的壓縮因子（見公式18）

② 標準參比條件下，天然氣質(zhì)量發(fā)熱量

qems：秒質(zhì)量發(fā)熱量

qms：秒質(zhì)量

Ams：質(zhì)量流量計量系數(shù)，秒質(zhì)量系數(shù)為3.8295×10-6

Avns：秒體積計量系數(shù)為3.1795×10-6

Gr：標準參比條件下的真實相對密度

Hs：表示摩爾發(fā)熱量

M：摩爾質(zhì)量

Zn：天然氣在標準參比條件下的壓縮因子（見式3）

Za：干空氣在標準參比條件下的壓縮因子，值為0.99963

Ma：干空氣摩爾質(zhì)量，值為28.9626

經(jīng)過式（1）和式（2）對比發(fā)現(xiàn)，式（19）Pn/（R*Tn）與式（20）（AmsZa）/（AvnsMa），是兩式中的不同部分，并且這部分都是常數(shù)，經(jīng)計算得出：

結(jié)果是用體積計算的發(fā)熱量常數(shù)部分Pn/（R*Tn）大于用質(zhì)量計算的發(fā)熱量常數(shù)部分（AmsZa）/（AvnsMa），因此不難理解計算秒體積發(fā)熱量比計算秒質(zhì)量發(fā)熱量大的問題，這是由于浮點數(shù)保留進位導(dǎo)致的，屬于正常現(xiàn)象。

5 如何保證累積的準確性

天然氣在計量過程中準確度非常重要，不僅瞬量計算要準確，而且累計量也必須準確。累計量計算準確的前提是瞬量計算必須準確，計量時鐘必須準確，二者缺一不可。瞬量計算可以進行靜態(tài)數(shù)據(jù)的算法比對，來驗證準確性，時鐘的準確性必須通過長時間時鐘的累積，來驗證準確性。天然氣流量計算機（HC601）采用系統(tǒng)的硬件時鐘中斷來獲得，不受系統(tǒng)運行負荷的影響，每到一秒，累積一次，每一秒都非常精準，因此能夠保證累積的準確性。

6 孔板清洗過程補償計算

天然氣在生產(chǎn)過程中，由于礦場分離器的設(shè)備老化，管線的銹蝕，以及天然氣中的油水及砂粒粉塵，在孔板表面沉積了大量污物，使孔板計量嚴重偏低，這部分氣量損失是無法用公式補償?shù)模仨毻ㄟ^經(jīng)常性清洗孔板來糾正偏差。在清洗孔板過程中，計算裝置無法獲得信號，計量將停止，累積也就終止，清洗孔板時，又不能停止供給天然氣，丟失的氣體該如何補償是一個棘手的問題，我們提出補償方式有三種，一是前補償，二是后補償，三是前后補償。

前補償就是在計算天然氣的同時，記錄前n（n<=20）分鐘的每秒平均量，再記錄清洗過程中的時間，即累積秒數(shù)，補償量就是他們的乘積。這種方式適應(yīng)供氣比較穩(wěn)的站，一般差壓波動不大。

后補償就是在孔板清洗完，安裝好后，從計算開始采集n（n<=20）分鐘的每秒平均量，補償量就是每秒平均量與清洗孔板過程中累積時間秒數(shù)的乘積。這種方式也是適應(yīng)于供氣穩(wěn)定的站，一般差壓波動不大。

前后補償就是在計算天然氣的同時，記錄前n（n<=20）分鐘的每秒平均量，孔板清洗結(jié)束，從上電開始計算起，再記錄n（n<=20）分鐘的每秒平均量，然后將兩個平均量再做平均，補償量就是最后的平均秒流量與清洗孔板過程的時間秒累積的乘積。這種方式適應(yīng)供氣不夠穩(wěn)定的站，一般差壓波動較大。

總結(jié)，在天然氣流量計算方面的國家標準已經(jīng)比較完善，但個別部分值得推敲研究，特別希望檢定機構(gòu)能夠提供公開的鑒定工具，以便于用戶校核數(shù)據(jù)，提高國內(nèi)產(chǎn)品的研發(fā)效率。