天然氣計(jì)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(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(xiàng)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(jì)組分和設(shè)計(jì)工況會有較大差別，而平臺外輸流量計(jì)則是依據(jù)設(shè)計(jì)組分和設(shè)計(jì)工況進(jìn)行選型安裝的。這就造成了外輸天然氣計(jì)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(shí)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(jì)顯示數(shù)值大于設(shè)計(jì)正常值，與陸上終端接收站的渦街流量計(jì)讀數(shù)也有較大偏差，而終端渦街流量計(jì)已設(shè)置溫壓補(bǔ)償，并且終端工程師對計(jì)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(jì)計(jì)量較為準(zhǔn)確,平臺超聲流量計(jì)可能存在計(jì)量不準(zhǔn)確的問題。超聲流量計(jì)在流程圖中的設(shè)置如圖1所示。經(jīng)實(shí)地勘察，現(xiàn)場該超聲流量計(jì)已按照圖1裝設(shè)溫度傳感器和壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行體積流量換算，且現(xiàn)場設(shè)備布置符合流量計(jì)安裝要求。

1 天然氣計(jì)量方法

天然氣輸量計(jì)算可劃分為一、二、三級：一級計(jì)量應(yīng)用于氣田外輸氣的貿(mào)易交接計(jì)量；二級計(jì)量應(yīng)用于氣田內(nèi)部集氣過程的生產(chǎn)計(jì)量；三級計(jì)量應(yīng)用于氣田內(nèi)部生產(chǎn)和生活計(jì)量[1]。

圖1 超聲波流量計(jì)流程

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(jì)量，其系統(tǒng)允許偏差為±5%。

天然氣計(jì)量實(shí)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(jì)、建設(shè)、操作和維護(hù)等全過程的質(zhì)量。目前，天然氣計(jì)量方式主要有孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波氣體流量計(jì)、設(shè)置雙流量計(jì)相互校驗(yàn)及其他新型流量計(jì)量技術(shù)[2]。

在國內(nèi)，雖然孔板流量計(jì)仍占主導(dǎo)地位，但超聲流量計(jì)使用數(shù)量逐年遞增。LSGP天然氣外輸計(jì)量器采用外夾式超聲波流量計(jì)，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(shí)間差與氣體軸向平均流速有關(guān)，因此通過數(shù)值計(jì)算可得到氣體流量。其優(yōu)點(diǎn)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(jì)量，流量計(jì)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]。標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)體積流量按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：qn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h；qf為工作條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h；pn為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；Tf為工作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)壓縮因子的校正。標(biāo)準(zhǔn)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(jì)。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（Zf）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Zf進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，組態(tài)中的壓縮因子為設(shè)計(jì)階段根據(jù)設(shè)計(jì)工況及設(shè)計(jì)組分，通過HYSYS模擬軟件計(jì)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(shí)時(shí)換算，但由于公式（1）中Zf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(shí)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(gè)因素進(jìn)行調(diào)整。溫度、壓力可以通過傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，輸出至計(jì)算系統(tǒng)參與計(jì)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。色譜分析數(shù)據(jù)見表1。

2.2 壓縮因子計(jì)算方法

公式（1）中壓縮因子的計(jì)算方法很多，主要有通過儀器測定、通過狀態(tài)方程計(jì)算、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、用Standing-Katz圖版確定等[5]。

表1 天然氣色譜分析數(shù)據(jù)

HYSYS模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)算。這2種方法計(jì)算精度較高，AGA8-92DC計(jì)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(jì)算方法用高位發(fā)熱量和相對密度兩個(gè)物理性質(zhì)及CO2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(jì)算精確度較高，計(jì)算誤差在0.5%以內(nèi)；同時(shí)，當(dāng)氣體溫度升高時(shí)，該方法的計(jì)算誤差將有所減少[6]。

綜上所述，AGA8-92DC方法更適合本次計(jì)算。通過Visual Basic編寫程序驗(yàn)證計(jì)算精度并計(jì)算所需壓縮因子。

2.3 壓縮因子計(jì)算

選取GB/T 17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計(jì)算 第2部分：用摩爾組成進(jìn)行計(jì)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(jì)算。不同工況下的計(jì)算結(jié)果與附錄C中表C.2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)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(jì)

表2 程序計(jì)算精度驗(yàn)證

算結(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(jì)算結(jié)果可靠。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算界面

原始設(shè)計(jì)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(jì)組態(tài)中還是選取原設(shè)計(jì)值，就會造成流量計(jì)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(shí)通過AGA8-92DC計(jì)算壓縮因子，使輸入條件更加精確。

項(xiàng)目實(shí)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(shí)調(diào)整超聲流量計(jì)中的壓縮因子數(shù)值，保證輸出流量的準(zhǔn)確性。

對于計(jì)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(jì)算，然后通過遠(yuǎn)程通信的方式更新超聲波氣體流量計(jì)中的參數(shù)，這樣就可以及時(shí)調(diào)整超聲流量計(jì)輸出數(shù)值，滿足精度要求。