畢托巴流量計測量濕天然氣介質(zhì)的應(yīng)用

孫勤江，陳建玲，陳慶文，李學(xué)科，楊 秀

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459；2.畢托巴科技股份有限公司，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引言

大多數(shù)情況下，天然氣的產(chǎn)出總是伴隨著液態(tài)烴、游離水和壓縮蒸汽，這樣產(chǎn)出的天然氣成為濕天然氣或多相天然氣[1,2]。濕天然氣具有含液率較高的特點，研究人員嘗試利用各種單參數(shù)計量方法進行計量，但由于液相的存在，測量誤差很大[3]?？傮w上文丘里管的測量效果較好，標準孔板由于上游液相累積或液體斷續(xù)通過節(jié)流件等原因準確度很低，容積式流量計只能用在氣液流量波動不大的場合，其它類型的單相氣體流量計目前證明不能用來計量濕天然氣[5-7]。如渦輪和科里奧利式流量計只能在含液率≤5%的范圍內(nèi)正常工作，渦街流量計多數(shù)情況沒有輸出，超聲波流量計雖然有輸出，但誤差太大[8]。由于天然氣中含有油污、水蒸汽與硫化物等雜質(zhì)易粘附腐蝕流量計，管線內(nèi)積液嚴重，大量雜質(zhì)會影響普通流量儀表計量特性，縮短流量儀表使用壽命，也使得這些流量計計量的誤差變大。但畢托巴流量計憑借其傳感器的特殊結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的性能，實現(xiàn)了濕天然氣的準確計量，在濕天然氣計量領(lǐng)域已有大量應(yīng)用案例。

圖1 畢托巴流量計結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the BiTOBAR flowmeter

1 畢托巴流量計

1.1 畢托巴流量計測量原理

畢托巴流量計將皮托管測速原理應(yīng)用于流量測量，流量計的測量桿插入管道中心，根據(jù)伯努利方程和流動連續(xù)性方程，當被測介質(zhì)流經(jīng)畢托巴流量傳感器時，在其兩側(cè)產(chǎn)生差壓，總壓孔對正流體的來流方向，總壓與靜壓之差即為管道中心的實測差壓。

畢托巴流量計主要由差壓一次元件（差壓件）、差壓變送器、三閥組、連接件等組成。畢托巴流量計結(jié)構(gòu)如圖1。

根據(jù)JJG 640-2016《差壓式流量計》，按差壓件的種類來劃分，畢托巴流量計屬于非節(jié)流式差壓件，產(chǎn)品出廠前需要用流量標準裝置對其進行實流標定，以確定其流量系數(shù)。當用畢托巴流量計測量流量時，流量系數(shù)α為已知量，將流量系數(shù)置入流量積算儀或DCS系統(tǒng)，并采集與流量相關(guān)的差壓、密度（或溫度、壓力補償）等傳感器信號，用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型計算流量。

1.2 畢托巴流量計的出廠標定

畢托巴流量計的測量裝置采用臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置標定，流量標準裝置擴展不確定度為U=0.3%（k=2），裝置流量穩(wěn)定性為0.2%。該裝置已通過CNAS認證，使得每一臺出廠的畢托巴流量計的準確度得到保證，流量計準確度等級達到1.0級。

1.3 具體標定過程

將畢托巴流量計安裝在流量標準裝置水平試驗管段上，打開三閥組平衡閥，然后打開正、負壓力閥。開啟流量標準裝置，通過控制系統(tǒng)選擇開啟音速噴嘴前的閥門，構(gòu)成不同的噴嘴組合以確定需要標定的流量點，讓流體在管路中以70%最大流量循環(huán)10 min以上，關(guān)閉三閥組的正、壓力閥，調(diào)整變送器的零點；打開三閥組的正、負壓力閥，流量上限值下預(yù)運行一段時間（5min以上），使管道介質(zhì)溫度均勻，流場穩(wěn)定。調(diào)節(jié)真空泵的頻率，使氣體通過音速噴嘴時在噴嘴上、下游形成特定的壓力比，穩(wěn)定后，即可進入標定狀態(tài)，通過同步采集到的相應(yīng)量值，輸入計算機系統(tǒng)，利用計算機進行數(shù)據(jù)處理，并直接輸出被測流量計的流量系數(shù)α及重復(fù)性Er。常規(guī)標定點按照qmin、0.25qmax、0.5qmax、0.75qmax、qmax進行，也可根據(jù)需要增減流量點[9,10]。

差壓值可用下式計算：

式（1）中：

Δpij——第i流量點j次測量差壓變送器測得的差壓值，kPa。

Iij——第i流量點j次測量差壓變送器輸出的電流值，mA。

ΔP——差壓變送器量程，kPa。

對于圓形管道，畢托巴流量計的流量系數(shù)計算公式如下：

式（2）中：

qv——標準體積流量，m3/h。

ρ——空氣的密度，kg/m3。

Δp——測得差壓值，kPa。

D ——管道內(nèi)徑，mm。

設(shè)第i檢定點第j次檢定的流量系數(shù)為αij，則第i檢定點的流量系數(shù)αi為n(n≥3)次檢定流量系數(shù)的平均值，即：

流量計的流量系數(shù)為：

表1 標定原始記錄數(shù)據(jù)Table 1 Calibration raw recorded data

線性誤差E為：

各流量點的重復(fù)性為：

流量計的重復(fù)性Er為流量計各流量點重復(fù)性中的最大值，即：

1.4 標定原始記錄數(shù)據(jù)（見表1）

1.5 材質(zhì)及安裝

畢托巴流量計量與介質(zhì)接觸的傳感器部分采用高防腐的鎳基825材質(zhì)，焊接方式用德勝公司特有的冷焊接專利技術(shù)。傳感器機架生產(chǎn)完成打壓壓力為設(shè)計壓力的1.5倍，保壓30 min不掉壓，打壓裝置最高打壓為60 MPa，保證傳感器的耐壓性，為保證測量的準確性每臺流量計都用標準檢測裝置進行標定實驗。裝置無需氣液分離，直接測量介質(zhì)氣相、液相流量。采用一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，撬裝結(jié)構(gòu)，可用于移動式或固定式設(shè)備。設(shè)備體積小，法蘭接口對接，安裝方便快捷。裝置流程為通路，非正常情況下不會發(fā)生安全事故，影響油田生產(chǎn)。

2 畢托巴流量計性能特點

2.1 防堵優(yōu)化設(shè)計

畢托巴流量計一次元件直接提取管道內(nèi)流體中心流速，開放式的取壓孔結(jié)構(gòu)，V字型的斜面能夠有效地防堵。流量計從管道上部垂直向下安裝，流體流動時在總壓孔前部形成高壓區(qū)，撞擊在取壓孔上的水汽、顆粒物受自身重力作用自然下落，阻止了顆粒進入傳感器內(nèi)部。

2.2 畢托巴流量計防堵效果好

多年來畢托巴公司通過大量的研究、實驗數(shù)據(jù)對比證明，畢托巴特殊設(shè)計的流量計在附垢前后測量誤差最大值為0.809%，計量精度在1級范圍內(nèi)，完全能滿足流量計量要求。詳見試驗數(shù)據(jù)表和不同結(jié)晶物試驗實拍圖。

2.3 靈敏度高、響應(yīng)性好

畢托巴流量計的測量傳感器無可動部件和阻流元件，不受異物、粘度影響，可以輕松感知因壓縮機的運轉(zhuǎn)變化與管網(wǎng)壓力影響的瞬間脈動流。

2.4 量程比寬

畢托巴流量計一次原件多采用機械加工形式，感受差壓范圍很大，但是現(xiàn)有的差壓變送器量程比為1:100，高的到1:400。根據(jù)差壓式流量計的工作原理，流量和差壓的平方根成正比，所以流量量程比為1:10或1:20。畢托巴流量計對寬流量范圍測量，可以用1個一次傳感原件，兩個或多個不同量程的差壓變送器，差壓變送器并列使用，這樣就總地提高了差壓計量的量程比，保證差壓計量的準確，保證流量計量的準確，大大提高流量量程比。

表2 試驗數(shù)據(jù)表和不同結(jié)晶物試驗實拍圖Table 2 Test data table and test real pictures of different crystals

2.5 二次裝置選配靈活

畢托巴流量計自帶數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)瞬時參數(shù)及流量的顯示，以及累積流量和歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)，可就地顯示天然氣瞬時流量、累積流量和數(shù)據(jù)的存儲、再現(xiàn)等，也可通過（4~20）mA模擬量輸出或RS485數(shù)字信號輸出與上位機連接，在工控機上實行二次數(shù)據(jù)處理，組成的計量系統(tǒng)更加靈活、可靠。

3 畢托巴流量計在濕天然氣介質(zhì)下的測量

BZ19-6-WHPA平臺計量分離器氣相出口單井計量系統(tǒng)，是生產(chǎn)分離器出口總管線，是渤中13-1中心平臺干氣總管道。該管道規(guī)格10英寸，流量范圍（0~68250）sm3/h，常用溫度為55℃，壓力范圍為（0~10）MPa，管道材質(zhì)為碳鋼，管道走向為水平。BZ19-6-WHPA平臺生產(chǎn)分離器出口總量測量用FE-2001畢托巴流量計，現(xiàn)場安裝如圖2。

2020年08月25日，干燥塔出口總管線干氣，即FE-2625流量計投入使用。通過現(xiàn)場調(diào)試與中控人員核對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及渤中13-1中心平臺流量計數(shù)據(jù)進行對比，流量計量也在實時穩(wěn)定變化。溫度為40℃，壓力6.5MPa，一天的天然氣累計流量在270000Nm3左右，瞬時流量為11000Nm3/h左右。

圖2 FE-2001畢托巴濕氣流量計Fig.2 FE-2001 BiTOBAR Wet gas flow meter

表3 渤中19-6-WHPA平臺在用3臺畢托巴流量計計量數(shù)據(jù)Table 3 Measurement data of 3 BiTOBAR flowmeters in use on Bozhong 19-6-WHPA platform

4 畢托巴流量計優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1）畢托巴流量傳感器可采用耐腐蝕材料（如316L、鈦材質(zhì)等）加工制作而成，具有硬度大、強度大以及較強的抗侵徹能力，具有超強的抗磨損能力，適用各種介質(zhì)工況，使用壽命長。

2）畢托巴流量計采用插入式結(jié)構(gòu)，安裝簡單，維護量小。

3）畢托巴流量計配在線閥門連接裝置，可以不停產(chǎn)在線安裝、維護、檢修，不影響生產(chǎn)；能夠在線拆下來進行標定檢測。

缺點：畢托巴流量計計量反應(yīng)靈敏，對計量穩(wěn)定平穩(wěn)的需求要做濾波處理。

5 結(jié)論

畢托巴流量計的安裝、調(diào)試、投運完全按照畢托巴流量計安裝調(diào)試規(guī)范進行。根據(jù)多個已現(xiàn)場應(yīng)用，畢托巴氣流量計濕天然氣現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確，滿足生產(chǎn)工藝要求，畢托巴濕天然氣流量計科學(xué)準確的計量數(shù)據(jù)為用戶能源管理控制提供了有效技術(shù)保障。