晁宏洲,黃明基,張胡生,陳昱含
中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣運(yùn)銷(xiāo)部 (新疆 庫(kù)爾勒 841000)
天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的差壓式流量測(cè)量裝置,這種流量測(cè)量方法以能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ),通過(guò)測(cè)量天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置前后的差壓間接測(cè)量流量。用標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量天然氣流量,是一個(gè)多種儀表的組合檢測(cè)過(guò)程,也是一個(gè)多種參數(shù)的混合運(yùn)算過(guò)程。它包含了多個(gè)復(fù)雜的計(jì)量工藝參數(shù)、節(jié)流裝置(節(jié)流件、取壓裝置和上下游直管段)的尺寸參數(shù)、天然氣物性參數(shù)等。計(jì)量工藝參數(shù)需要用高準(zhǔn)確度儀表檢測(cè)得到,節(jié)流裝置需要精確加工并經(jīng)嚴(yán)格檢測(cè)得到,天然氣物性參數(shù)需要基于準(zhǔn)確的組分分析,通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算得到。因此可以說(shuō),標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)流量測(cè)量結(jié)果影響因素眾多的復(fù)雜儀表組合,其中任何一個(gè)因素都可能直觀或隱蔽地影響標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量天然氣流量的結(jié)果。從事天然氣交接計(jì)量的技術(shù)人員需要熟悉每種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響趨勢(shì),避免交接過(guò)程中的計(jì)量異議或有依據(jù)地依靠技術(shù)手段正確解決計(jì)量異議,避免計(jì)量糾紛。
2012年11月17日,用戶向供氣方送達(dá)《關(guān)于申請(qǐng)解決天然氣帶油造成我公司催化劑中毒的報(bào)告》,提出天然氣帶液(油和水)造成其化工裝置催化劑、脫硫劑中毒的質(zhì)量抱怨和交接雙方計(jì)量結(jié)果偏差較大的計(jì)量異議。接到用戶訴求后,供氣方高度重視,成立調(diào)查組趕赴現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí),分析和解決問(wèn)題。
用戶從供氣門(mén)站引接天然氣作為化工裝置原料氣,生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品,用氣量相對(duì)穩(wěn)定。供氣方在門(mén)站建設(shè)一套標(biāo)準(zhǔn)孔板供氣計(jì)量系統(tǒng),用戶在其裝置區(qū)建設(shè)一套標(biāo)準(zhǔn)孔板對(duì)接計(jì)量系統(tǒng)。供需雙方計(jì)量設(shè)施分布如圖1所示。
供氣門(mén)站氣源包含兩類(lèi):一是來(lái)自凝析氣田的凝析氣,在上游經(jīng)過(guò)過(guò)濾除液、高壓分子篩脫水和J-T閥節(jié)流制冷脫水脫烴,氣質(zhì)良好,氣量占供氣門(mén)站總氣量85%以上,且常年供應(yīng);二是來(lái)自油田的伴生氣,為零散井放空氣回收加工產(chǎn)品,在上游經(jīng)過(guò)橇裝簡(jiǎn)易處理設(shè)備的粗略脫水脫烴,氣質(zhì)較差且不穩(wěn)定,氣量不超過(guò)供氣門(mén)站總氣量15%,且為間歇性供應(yīng)。兩類(lèi)氣源在進(jìn)站處匯合,計(jì)量系統(tǒng)前端設(shè)離線取樣口,定期取樣送實(shí)驗(yàn)室分析,氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)孔板供氣計(jì)量系統(tǒng)流量計(jì)算機(jī)里定期更新。因?yàn)楣夥焦庥?jì)量系統(tǒng)與用戶對(duì)接計(jì)量系統(tǒng)之間再無(wú)旁路,兩處計(jì)量系統(tǒng)類(lèi)型相同、規(guī)格相同,通過(guò)兩處計(jì)量數(shù)據(jù)的比對(duì),供需雙方均可以很方便地發(fā)現(xiàn)計(jì)量偏差,提出計(jì)量異議。本次用戶提出,2011年、2012年兩年均從10月下旬開(kāi)始,供需雙方出現(xiàn)較大的計(jì)量偏差,要求一并解決計(jì)量差異。
圖1 供需雙方計(jì)量設(shè)施分布示意圖
根據(jù)調(diào)查組2012年11月18日在供氣門(mén)站除油器和用戶化工裝置穩(wěn)壓罐兩處排污情況來(lái)看,供給用戶用于化工裝置的原料天然氣確實(shí)能排出相當(dāng)量的液體,為重質(zhì)烴類(lèi)和水(圖2)。
圖2 供氣門(mén)站和用戶裝置區(qū)天然氣排液實(shí)拍圖
查看供氣門(mén)站和用戶化工廠兩方面的工藝操作運(yùn)行記錄,也證實(shí)從2012年9月13日8:00開(kāi)始發(fā)現(xiàn)天然氣中帶液體,并著手加強(qiáng)排液操作,最嚴(yán)重時(shí)排液操作頻率加密到1次/h。經(jīng)調(diào)查了解兩類(lèi)氣源的生產(chǎn)裝置運(yùn)行情況,查明油田伴生氣因?yàn)榕蛎浿率怪评湓O(shè)備發(fā)生故障,幾乎未經(jīng)脫水脫烴處理就輸送到供氣門(mén)站。即使設(shè)備不發(fā)生故障,在外部環(huán)境溫度很低的冬季,處理裝置脫水脫烴處理效率變差,在現(xiàn)有工藝設(shè)備條件下,也無(wú)法徹底解決伴生氣氣質(zhì)不好的問(wèn)題。
調(diào)查組安排供氣方計(jì)量工程師匯總了從2010年9月1日—2012年10月1日時(shí)間段的每日、每月計(jì)量數(shù)據(jù),每月供需雙方計(jì)量數(shù)據(jù)對(duì)比偏差見(jiàn)表1。從表1中可以看出如下幾個(gè)趨勢(shì)。
1)供需雙方的計(jì)量偏差總體呈逐步縮小的趨勢(shì),證明供氣計(jì)量系統(tǒng)通過(guò)逐步改善計(jì)量工藝條件,提高了計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性(前期因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)孔板選型不合適,計(jì)量準(zhǔn)確性很差)。
表1 供需雙方計(jì)量數(shù)據(jù)對(duì)比偏差
2)在夏季,供需雙方的計(jì)量偏差小;到了冬季,供需雙方的計(jì)量偏差變大。
3)查看供氣門(mén)站生產(chǎn)運(yùn)行記錄,結(jié)合工藝條件來(lái)看,在只有凝析氣單一氣源的時(shí)間段內(nèi),供需雙方的計(jì)量偏差較小。
在調(diào)查過(guò)程中,供氣門(mén)站的其他幾家用戶,也提出了冬季運(yùn)行期間供需雙方計(jì)量偏差大的問(wèn)題,分析原因如下。
1)交接計(jì)量采用的天然氣組分值不具有代表性。在冬季,隨著外界環(huán)境溫度的降低,上游天然氣處理工藝水平變差,來(lái)氣中所攜帶的烴類(lèi)、水等液態(tài)物質(zhì)含量增大,導(dǎo)致氣體組分總體變重。但由于受取樣設(shè)施的影響,取不到真正有代表性的樣品,在交接計(jì)量過(guò)程中,參與標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)流量計(jì)算的氣體組分較實(shí)際情況要輕,致使計(jì)量值偏大。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13609—2017《天然氣取樣導(dǎo)則》[1]中規(guī)定,對(duì)氣質(zhì)不均勻天然氣“取樣探頭應(yīng)插入到管中心1/3處”,以取得有代表性的樣品。但供氣門(mén)站的天然氣取樣設(shè)備只是焊接在管道上部的一段細(xì)直管,取樣管下端與管道內(nèi)表面平齊,無(wú)法取得烴類(lèi)、水等液態(tài)物質(zhì)。取樣點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。
圖3 供氣門(mén)站天然氣取樣點(diǎn)實(shí)拍圖
根據(jù)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》[2]和GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》[3]標(biāo)準(zhǔn),天然氣組成變化造成壓縮因子Z和密度ρ兩個(gè)物性參數(shù)計(jì)算結(jié)果不同,從而導(dǎo)致流量測(cè)量結(jié)果不同。
參與流量計(jì)算的天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)不代表實(shí)際情況,勢(shì)必會(huì)造成計(jì)量誤差,這也是國(guó)家、行業(yè)相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中在交接氣量較大的場(chǎng)合和計(jì)量準(zhǔn)確度要求高的計(jì)量系統(tǒng)中,要求配套在線色譜分析儀,采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)物性參數(shù)的原因。
2)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)導(dǎo)壓管中含有液體物質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流前后的差壓值來(lái)間接算出天然氣流量,如果導(dǎo)壓管中帶有水、重?zé)N等液態(tài)物質(zhì),一般會(huì)積聚在下游導(dǎo)壓管處,導(dǎo)致差壓值較實(shí)際值偏大,從而引起較大的計(jì)量偏差。如果標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量的介質(zhì)帶液,應(yīng)及時(shí)從導(dǎo)壓管低點(diǎn)排出。每套標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)均設(shè)計(jì)有導(dǎo)壓管排液的低點(diǎn)閥門(mén),如圖4所示。
圖4 標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)導(dǎo)壓管低點(diǎn)排液管實(shí)拍圖
調(diào)查組在現(xiàn)場(chǎng)查看供氣門(mén)站的排液記錄,證明從導(dǎo)壓管中確實(shí)能排放出液體。發(fā)現(xiàn)該情況后,供氣門(mén)站值班人員加密導(dǎo)壓管排液,盡量減少導(dǎo)壓管積液對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響。
3)計(jì)量工藝條件不能完全保證標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)的性能。伴生氣嚴(yán)重帶液?jiǎn)栴},已在2011年冬季運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn),供氣門(mén)站采取及時(shí)向上游生產(chǎn)單位反映、間歇停止來(lái)氣等措施爭(zhēng)取保證來(lái)氣質(zhì)量。供氣方為徹底解決這一問(wèn)題,于2012年增加了針對(duì)該部分來(lái)氣的精細(xì)過(guò)濾器,但因設(shè)備檢測(cè)缺陷等問(wèn)題,一直還未投用。為保證及時(shí)掌握天然氣的物性,在2012年又設(shè)計(jì)加裝了在線烴水露點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器,設(shè)備已采購(gòu)到貨,尚未施工安裝。
任何種類(lèi)的天然氣計(jì)量系統(tǒng),對(duì)計(jì)量介質(zhì)的潔凈度都有要求[4],因?yàn)榘樯鷼獗旧韼б?,加之過(guò)濾分離設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器沒(méi)有安裝投用,處理和監(jiān)測(cè)措施沒(méi)有及時(shí)跟上。一方面導(dǎo)致天然氣組分變重而不能通過(guò)取樣分析掌握;另一方面導(dǎo)致差壓參數(shù)測(cè)量發(fā)生較大誤差。兩方面共同作用,造成標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度降低。
4)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)本身的計(jì)量誤差大。標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)徑、標(biāo)準(zhǔn)孔板開(kāi)孔孔徑、壓力、溫度、差壓、氣體組分等多個(gè)變量的方式間接得到天然氣流量,影響環(huán)節(jié)和因素較多。在一般情況下,行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量誤差的經(jīng)驗(yàn)值約為±3.0%,這是其本身的計(jì)量特性所決定的。
按照供需雙方簽訂的天然氣計(jì)量交接協(xié)議,結(jié)合計(jì)量異議發(fā)生的原因,調(diào)查組決定對(duì)本次用戶提出的計(jì)量異議的訴求,只考慮2011、2012兩個(gè)年度冬季運(yùn)行階段。導(dǎo)壓管積液對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,沒(méi)有直接的證據(jù)且無(wú)法量化追溯,故解決本次計(jì)量異議只考慮氣體組分變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)的影響。采用氣體組分差異修正的原則,即在供氣方計(jì)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,乘以天然氣輕、重組分間的一個(gè)校正系數(shù),對(duì)氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并核算差異氣量。
根據(jù)GB/T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》[5]標(biāo)準(zhǔn)中天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式,參與流量計(jì)算的天然氣相對(duì)真實(shí)密度如果較真實(shí)值偏低 (測(cè)定的組分偏輕),則流量測(cè)量結(jié)果將偏大。由天然氣組成分析結(jié)果計(jì)算得到的密度ρ和壓縮因子Z會(huì)對(duì)公式中的流出系數(shù)C、相對(duì)密度系數(shù)FG、可膨脹性系數(shù)ε、超壓縮系數(shù)FZ均產(chǎn)生影響,不同天然氣組成下流量值的變化趨勢(shì)和變化程度是以上多項(xiàng)參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。理論上,在其他計(jì)量工藝條件都相同的情況下,不同組成的天然氣流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的差壓值也會(huì)不同,但任何天然氣計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均未給出天然氣物性與差壓值的定量關(guān)系。供需雙方協(xié)商一致,按照試驗(yàn)驗(yàn)證的原則處理天然氣組成與差壓值的關(guān)系,即先不考慮天然氣組成對(duì)差壓值的影響,在對(duì)供需雙方的計(jì)量系統(tǒng)采用正確的氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證后,如流量測(cè)量結(jié)果高度一致,則證明天然氣組成對(duì)差壓值的影響甚微,可以在本次差異氣量的處理中不予考慮。
為準(zhǔn)確計(jì)算出天然氣輕、重組分間的差別,2012年11月19日,調(diào)查組在用戶化工裝置的工藝管線上,找到一處位于管道中部的取樣口,從該處取得具有代表性的樣品,如圖5所示。
圖5 用戶裝置區(qū)天然氣取樣點(diǎn)實(shí)拍圖
在用戶的見(jiàn)證下,調(diào)查組在現(xiàn)場(chǎng)重新取得天然氣樣品,委托具有資質(zhì)的第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析,輕、重組分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 輕、重組分天然氣樣分析結(jié)果對(duì)照表
從表2數(shù)據(jù)可以看出,天然氣取樣位置對(duì)物性的影響很大。
調(diào)查組使用北京某公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)、公開(kāi)發(fā)售并經(jīng)貿(mào)易計(jì)量認(rèn)證的TRQ-2004-02天然氣流量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)孔板設(shè)計(jì)及管理軟件,采取2012年11月18日現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)的工藝參數(shù),分別計(jì)算輕、重組分的流量數(shù)據(jù)。
計(jì)量工藝參數(shù):標(biāo)準(zhǔn)孔板的前后差壓ΔP為6.554 kPa;氣流表靜壓 P為 3 220 kPa;氣流溫度T為29.349℃;測(cè)量管內(nèi)徑D20為199.116 mm;標(biāo)準(zhǔn)孔板開(kāi)孔孔徑d20為78.721 mm;當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a為90.3 kPa。
計(jì)算得到:在標(biāo)準(zhǔn)條件下,輕組分標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)瞬時(shí)流量8 299.9 m3/h;重組分標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)瞬時(shí)流量8 099.1 m3/h;輕、重組分計(jì)量時(shí)差異系數(shù)為(8 299.9-8 099.1)/8 299.9=0.024 19。
調(diào)查組調(diào)取供氣門(mén)站生產(chǎn)運(yùn)行記錄,結(jié)合用戶提出計(jì)量異議的時(shí)段,核算因?yàn)樘烊粴鈿赓|(zhì)組分變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)造成影響最終導(dǎo)致多計(jì)量的氣量,對(duì)用戶予以核減,解決了計(jì)量異議。
1)只對(duì)供氣門(mén)站來(lái)氣包含伴生氣的時(shí)段內(nèi)差異氣量進(jìn)行核定。
2)只對(duì)冬季生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)的差異氣量進(jìn)行核定。
3)所有予以核定差異氣量的時(shí)段內(nèi)供氣門(mén)站的計(jì)量累積量乘以輕、重組分計(jì)量時(shí)差異系數(shù),得到最終核定差異氣量。
4)核定方法驗(yàn)證。為驗(yàn)證本次計(jì)量差異發(fā)生的原因查找和技術(shù)處理的措施是否正確,2012年11月24日,調(diào)查組委托第三方計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)利用便攜式超聲流量計(jì)分別對(duì)供需雙方的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)流比對(duì) (統(tǒng)一使用重新取樣化驗(yàn)后的天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)),比對(duì)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4。
表3 供氣方供氣計(jì)量系統(tǒng)在線比對(duì)數(shù)據(jù)表
表4 用戶對(duì)接計(jì)量系統(tǒng)在線比對(duì)數(shù)據(jù)表
從表3、表4數(shù)據(jù)可以看出:不論便攜式超聲流量計(jì)本身計(jì)量準(zhǔn)確度如何,供氣方供氣計(jì)量系統(tǒng)和用戶對(duì)接計(jì)量系統(tǒng)以同一便攜式超聲流量計(jì)作為比對(duì)參照,兩者計(jì)量結(jié)果非常接近。證明調(diào)查組將本次計(jì)量異議發(fā)生的原因定位在天然氣輕、重組分?jǐn)?shù)據(jù)變化上是準(zhǔn)確的,正是供氣門(mén)站取樣位置不合理,取到的樣品不具有代表性,導(dǎo)致計(jì)量結(jié)果偏大;而用戶裝置區(qū)取樣位置設(shè)置較合理,取到的樣品更具有代表性,計(jì)量結(jié)果與實(shí)際更相符。說(shuō)明調(diào)查組處理本次計(jì)量異議的技術(shù)手段是合理的,結(jié)論正確、公平。
從表3、表4數(shù)據(jù)也可以看出,對(duì)于供氣計(jì)量系統(tǒng)和對(duì)接計(jì)量系統(tǒng),雖然計(jì)量工藝條件并不完全相同,但統(tǒng)一使用重新取樣化驗(yàn)后的天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)后,計(jì)量結(jié)果非常相近(偏差<0.05%),證明天然氣組成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的差壓值影響甚微,在本次計(jì)量差異處理中不予考慮是合理的。
1)用標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量天然氣流量,是一個(gè)多儀表組合檢測(cè)、多參數(shù)混合運(yùn)算的過(guò)程,計(jì)量工藝參數(shù)、節(jié)流裝置幾何尺寸參數(shù)、天然氣物性參數(shù)都是影響系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的重要因素。
2)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)的核查,需要逐個(gè)考量多個(gè)參數(shù)對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響趨勢(shì),考量的依據(jù)是GB/T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量計(jì)算基本公式和計(jì)算實(shí)用公式,在涉及到某個(gè)具體參數(shù)時(shí)還要考慮該參數(shù)計(jì)算的獨(dú)有公式。
3)可能某一個(gè)因素與流量計(jì)算公式中某兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)相關(guān),這些參數(shù)對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響可能不同向,因此要善于運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的計(jì)算軟件模擬實(shí)際計(jì)量條件進(jìn)行計(jì)算,才能得到正確的結(jié)果。比如本次計(jì)量異議處理過(guò)程中的天然氣氣體組分變化同時(shí)對(duì)體積流量計(jì)算實(shí)用公式中相對(duì)密度系數(shù)FG和超壓縮系數(shù)FZ產(chǎn)生影響,理論上也會(huì)對(duì)天然氣流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板前后的差壓值產(chǎn)生影響。天然氣組成對(duì)相對(duì)密度系數(shù)FG和超壓縮系數(shù)FZ的影響可以定量計(jì)算,從而對(duì)流量測(cè)量值的偏差進(jìn)行定量核定。但對(duì)不存在定量關(guān)系的差壓值的影響,則需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定是否需要考慮。
4)天然氣氣質(zhì)單一、潔凈是保證標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度的要求,在不能滿足該要求時(shí),需在計(jì)量系統(tǒng)前端進(jìn)行處理,從計(jì)量工藝條件方面保證和提升計(jì)量系統(tǒng)性能。