天然氣計量中壓縮因子的修正

韓彬 朱玉琪

必維船級社（中國）有限公司 （上海 200011）

近年來，隨著國家環保要求日趨嚴格，煤炭消耗受到越來越多的限制，天然氣在我國能源戰略中的地位逐步凸顯，東海、南海的油氣田項目逐漸增多。由于海底地質情況復雜，生產中天然氣組分和生產工況與設計組分和設計工況會有較大差別，而平臺外輸流量計則是依據設計組分和設計工況進行選型安裝的。這就造成了外輸天然氣計量出現問題，生產方無法掌握可靠數據。

對東海某氣田平臺（以下簡稱“LSGP”）在實際生產中遇到的問題進行解析，并找到解決方法。生產方在生產過程中發現平臺超聲流量計顯示數值大于設計正常值，與陸上終端接收站的渦街流量計讀數也有較大偏差，而終端渦街流量計已設置溫壓補償，并且終端工程師對計量數據與自耗氣、干氣產量、副產品產量進行了分析，物料平衡較為吻合。因此，工程人員認為渦街流量計計量較為準確,平臺超聲流量計可能存在計量不準確的問題。超聲流量計在流程圖中的設置如圖1所示。經實地勘察，現場該超聲流量計已按照圖1裝設溫度傳感器和壓力傳感器，可以實時進行體積流量換算，且現場設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：一級計量應用于氣田外輸氣的貿易交接計量；二級計量應用于氣田內部集氣過程的生產計量；三級計量應用于氣田內部生產和生活計量[1]。

圖1 超聲波流量計流程

平臺生產天然氣通過海管輸至陸上終端進行處理，因此平臺外輸屬于二級計量，其系統允許偏差為±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，測量的準確度取決于整套測量系統的設計、建設、操作和維護等全過程的質量。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、設置雙流量計相互校驗及其他新型流量計量技術[2]。

在國內，雖然孔板流量計仍占主導地位，但超聲流量計使用數量逐年遞增。LSGP天然氣外輸計量器采用外夾式超聲波流量計，其原理是在管道內或管道外與軸向成一定方向的一組換能器進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，因此通過數值計算可得到氣體流量。其優點是測量準確度高、范圍寬、無壓損、無可動部件、安裝使用費低等。

為了便于計量，流量計讀數一般通過內部組態換算為標準參比條件下的數據進行輸出，標準參比條件規定為：絕對壓力為101.325 kPa，溫度為20℃，干基[3]。標準參比條件下的瞬時體積流量按公式（1）進行計算。

式中：qn為標準參比條件下的瞬時體積流量，m3/h；qf為工作條件下的瞬時體積流量，m3/h；pn為標準參比條件下的絕對壓力，MPa；pf為工作條件下的絕對靜壓力，MPa；Tn為標準參比條件下的熱力學溫度，K；Tf為工作條件下的熱力學溫度，K；Zn為標準參比條件下的壓縮因子；Zf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。標準參比條件下的壓縮因子（Zn）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工況的壓力、溫度變化波動較大，導致工作條件下的壓縮因子（Zf）持續動態變化；由于其數值變化較大，因此影響不可忽略。

現場儀表系統后臺組態中并未對Zf進行實時調整，組態中的壓縮因子為設計階段根據設計工況及設計組分，通過HYSYS模擬軟件計算得到，數值為0.778 9。儀表顯示值雖然經過溫度、壓力實時換算，但由于公式（1）中Zf的值一直未進行調整，這就造成了較大偏差，不能準確反映實際流量。因此，應根據生產工況及組分變化情況，重新確定壓縮因子的數值。

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個因素進行調整。溫度、壓力可以通過傳感器進行實時監測，輸出至計算系統參與計算。但現場沒有在線色譜分析儀器，因此無法對壓縮因子進行調整，只能先取樣再對其進行離線分析。色譜分析數據見表1。

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、通過狀態方程計算、用經驗公式計算、用Standing-Katz圖版確定等[5]。

表1 天然氣色譜分析數據

HYSYS模擬計算一般根據物性選擇不同狀態方程進行模擬，其物性是根據不同物質的實驗數據擬合而得，誤差較大。

GB/T 17747.1—2011《天然氣壓縮因子的計算第1部分：導論和指南》中推薦利用AGA8-92DC和SGERG-88法進行計算。這2種方法計算精度較高，AGA8-92DC計算方法要求對氣體進行詳細的物質的量組成分析，SGERG-88計算方法用高位發熱量和相對密度兩個物理性質及CO2的含量作為輸入數據。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；同時，當氣體溫度升高時，該方法的計算誤差將有所減少[6]。

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行計算。不同工況下的計算結果與附錄C中表C.2中的數據進行對比驗證，具體見表2。

由表2可以看出，不同組分在不同壓力下的計

表2 程序計算精度驗證

算結果與標準規范中所給真值相同，精度較高，表明軟件計算結果可靠。

根據表1數據計算壓縮因子，其值為0.84844，輸入及輸出界面見圖2。

圖2 軟件計算界面

原始設計中壓縮因子取值為0.7789，目前生產狀況下，其值偏高達8.9%。若超聲流量計組態中還是選取原設計值，就會造成流量計輸出值偏高。因此，定期校正組態中的壓縮因子數值非常必要。

3 結語

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，生產方應根據生產條件變化和天然氣產品組分的變化，適時調整超聲流量計中的壓縮因子數值，保證輸出流量的準確性。

對于計量要求較高的位置，可安裝在線色譜儀，將組分數據和監測的溫度、壓力值輸入到上位機中進行計算，然后通過遠程通信的方式更新超聲波氣體流量計中的參數，這樣就可以及時調整超聲流量計輸出數值，滿足精度要求。