科里奧利質量流量計在乙烷氣體貿易交接中的應用研究

肖剛 劉延昌 馬寧 張絢

1新疆油田油氣儲運分公司

2新疆油田公司人事處

乙烷與液化氣、穩定輕烴和穩定凝析油等原料相比，具有更高的乙烯轉換率，是優質的乙烯原料。近年來各油田公司通過對油氣田產出的天然氣進行增壓深冷將乙烷氣體分離后輸送到煉化企業，作為乙烯生產的原料，提高天然氣的附加價值。作為交接產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。目前天然氣交接計量過程中執行國家及行業標準不適用于乙烷氣體，需要探討適合乙烷氣體交接計量的測量方法，以確保乙烷氣體交接計量數據準確、公平、公正。

1 常用天然氣標準體積計算方法

目前國際上天然氣貿易交接普遍采用超聲、渦輪、旋進旋渦、孔板等計量儀表。其中超聲、渦輪、旋進旋渦等計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進行補償計算，最終換算為標準狀態下體積量Vn進行交接[1]。

式中：Vn為標準狀態下的體積，Nm3；pn為標準大氣壓力，0.101 325 Pa；Tn為標準狀態下的絕對溫度（293.15），K；Zn為標準狀態下的壓縮因子；Vg為工作狀態下的體積，m3；pg為工作狀態下的絕對壓力，Pa；Tg為工作狀態下的絕對溫度（273.15+t），K；t為被測介質攝氏溫度，℃；Zg為工作狀態下的壓縮因子。

GB/T 21446—2008[2]《用標準孔板測量天然氣》中測量天然氣的質量流量qm計算方法如公式（2）和公式（3）所示：

式中：qm為天然氣的質量流量，kg；C為流出系數，與節流裝置的幾何尺寸和雷諾數相關；β為直徑比，孔板開孔直徑與上游測量管內徑之比；ε為可膨脹系數，對于給定的計量裝置該值取決于流體靜壓、孔板前后差壓和等熵指數；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確測量；ρ1為介質工作狀態下的密度，kg/m3。由公式（3）計算得出：

式中：M為干空氣的摩爾質量，值為28.962 6 kg/kmol；G為天然氣真實相對密度；R為通用氣體常數，值為0.008 314 51 MPa·m3/(kmol·K)；Za為干空氣在標準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等參數為標準大氣壓、絕對溫度、通用氣體常數等常數或與流量計尺寸相關的常量，取值確定，不影響計量值的準確度。而Vg、pg、Tg、Zn、Zg等為變量，其測量的準確度直接影響計量值的準確度。GB18603《天然氣計量系統技術要求》附錄A對以上變量的準確度提出明確的要求[3]，具體要求見表1。

表中溫度、壓力、工作條件下的體積流量均為直接測量參數，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非直接測量量，其大小與氣體的組分、高位發熱量、相對密度、壓力和溫度等狀態參數相關。

2 壓縮因子對氣體標準體積計算的影響

目前國際上推薦采用AGA8-92DC 和SGERG-88 方程計算工作狀態下天然氣壓縮因子。我國起草發布《天然氣壓縮因子的計算》GB/T 17747—2011 也采用以上兩種不同方法計算天然氣壓縮因子。國際上多數流量計生產廠家在流量計算機中置入以上兩種壓縮因子計算軟件。但是兩種壓縮因子計算方法對管輸天然氣的組成范圍有所限制，當天然氣中乙烷含量超出20%后，計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%，遠遠超出AGA8-92DC 和SGERG-88 方程的適用范圍。壓縮因子計算的不確定度難以估算，直接影響交接計量量的不確定度[4-6]。

3 質量流量計工作原理

由于乙烷氣體壓縮因子計算的不確定度難以估計，因此在流量計選型過程中應該避開壓縮因子計算過程，建議選擇科里奧利質量流量計計量乙烷氣體。

科里奧利質量流量計（簡稱科氏力流量計）是一種利用流體在振動管中流動而產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質量流量的儀表。流量計由振動管、電磁驅動器和檢測器組成。振動管（測量管道）是敏感器件，有U 形、Ω 形、環形、直管形及螺旋形等幾種形狀，振動管有單管、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的測量原理如圖1 所示。U形管的兩個開口端固定，流體由此流入和流出。U形管頂端裝有電磁驅動器，用于驅動U形管沿垂直于U形管所在平面的方向以O-O為軸按固有頻率振動。U形管的振動迫使管中流體在沿管道流動的同時又隨管道作垂直運動，此時流體將受到科氏力的作用，同時流體以反作用力作用于U 形管。流體在U形管兩側的流動方向相反，所以作用于U形管兩側的科氏力大小相等方向相反，從而使U形管受到一個力矩的作用，使得振動管繞R-R 軸產生扭轉變形，該變形量的大小與通過流量計的質量流量具有確定的關系。檢測器測得這個變形量，即可測得管內介質的質量流量。

表1 天然氣交接計量系統相關測量參數準確度要求Tab.1 Requirements on the accuracy of related measurement parameters of natural gas transfer metering system

圖1 科里奧利質量流量計的測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring principle of Coriolis mass flowmeter

科里奧利流量計可以將被檢測的流體質量流量直接體現出來，質量作為物質本身的屬性其大小不隨溫度、壓力等參數改變而改變，計量數據可直接用于供需雙方交接計量。此外可以準確測量氣體組分，采用GB/T 11062—2014 《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》準確計算乙烷氣體標準狀況下的密度，進而得到氣體標準狀況下的體積流量，甚至熱值流量。

4 存在的問題及建議

4.1 檢定問題

由于氣體實流檢定成本高，送檢周期長，因此質量流量計的用戶通常選擇采用液體（水）對流量計進行檢定/校準。針對液體檢定的數據是否能夠真實反映氣體介質運行工況下的計量性能，在設備投用前分別采用水和天然氣兩種介質對相同型號的2臺流量計進行了檢定。試驗數據如表2所示。

由表2可知：

（1）同一臺質量流量計用于液體計量的準確度要高于氣體計量的準確度。其主要原因是氣體的密度要遠低于液體密度，因此計量氣體時，瞬時流量通常低于流量計最大量程的1/3，超出計量儀表的最佳運行范圍。

（2）循環水標定的數據如不超出流量計的準確度等級的要求，氣體校準的數據也能保持在測量氣體規定的準確度等級范圍內。建議計量乙烷氣體的質量流量計在不具備實流檢定條件的情況下，可采用循環水進行檢定/校準，但檢定和校準的流量點應接近實際運行工況下的質量流量，并按照液體計量準確度等級的要求進行評價[8]。

4.2 消除安裝應力

由于管道伸縮變形會造成應力，使得傳感器零點發生變化，影響測量準確度。因此質量流量計在安裝過程應注意以下幾點：

（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力，保證測量準確度。

（3）應保證與傳感器上游、下游鏈接的管道有穩固支撐物，支撐桿應以傳感器為中心對稱分布，支撐桿與基礎牢固連接。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）為消除安裝應力，安裝傳感器時應先配管，將工藝管線、閥門與傳感器整體預先安裝好并吊裝，再將其與工藝主管線焊接，焊接時應使傳感器、閥門及工藝主管線處于同一鉛垂面內[9]。

表2 不同計量介質的流量計檢定數據Tab.2 Verification data of flowmeter under different metering media

4.3 壓力補償

壓力影響定義為過程壓力偏離檢定/校準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使測量振動管呈繃緊現象，這種壓力效應雖然影響量很小，但是當使用時過程壓力與標定壓力相差很大時，對于高精度質量流量計準確度的影響還是不容忽視的，尤其是對于管徑大、測量管壁厚小的質量流量計影響更大。

日常工作中的壓力補償方法有流量系數標定法、靜態壓力補償法和動態壓力補償法。具體方法可以根據現場的運行工作，參照廠家的說明書進行補償。對于運行壓力相對穩定的計量工藝，可采用靜態壓力補償法。根據廠家提供的流量計產品樣本，可以查閱到需要進行靜態壓力補償的流量計型號，并且分別找出壓力對流量和密度影響的系數，然后用HART 手抄器或ProLinkII 2.0 軟件寫入流量計。

4.4 避免雜質聚集

測量管內壁磨損腐蝕或沉積結垢會影響測量精度，對于計量介質為氣體的質量流量計應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管內。

圖2 質量流量計用氣體計量的安裝示意圖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、流速突變產生攪動會加速水合物的形成，氣體的相對密度越大生成水合物的溫度范圍越寬。科里奧利質量流量計振動管內徑細小，在管路中屬于節流元件，對氣流有一定的擾動，乙烷氣體相對密度較天然氣大，在計量裝置前后很容易形成水合物阻塞管路。因此在設計過程中應盡可能減少計量線路中阻流件的設置，必要時需要對流量計進行保溫，避開水合物形成的溫度及壓力范圍[11-16]。

5 結束語

乙烷交接計量目前尚無可以遵循的國家或行業標準，SYT 6659—2016《用科里奧利質量流量計測量天然氣流量》標準中規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，被排除在標準的適用范圍外。但是該標準在質量轉換體積量的計算方法并不涉及壓縮因子的計算，從理論上講對氣體的真實相對密度不應該有所限制。如果將該標準氣體的適用范圍擴大，乙烷交接計量就有據可循了。

乙烷氣體交接計量的測量方法不應僅局限于質量流量計的測量方法，可以進一步探索乙烷氣體壓縮因子計算方法，對GB/T 17747 適用范圍進行補充，從而為乙烷氣體交接計量器具選擇的多樣性提供技術支撐。