[摘要]標(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)用于天然氣流量計量，測量管在運行過程中，直管段內(nèi)壁粗糙度發(fā)生變化。文章按使用年限、氣質(zhì)條件、日輸氣量等因素將真管段內(nèi)壁粗糙度分為四類，分析了各類測量管粗糙度變化，對計量系統(tǒng)誤差的影響，并列舉了對不同管徑的各類計量管粗糙度的修正。最終提出為減少粗糙度對標(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)的誤差影響，對上下游直管段的維護(hù)建議。
中石化西南油氣分公司川西氣田目前廣泛采用以.標(biāo)準(zhǔn)孔板作為一次儀表的差壓式計量系統(tǒng)進(jìn)行天然氣流量計量，多數(shù)井在后期開發(fā)中泡沫排水等工藝措施十分頻繁，天然氣中含大量水、油、粉塵等雜質(zhì)，測量管在使用過程中，由于長期經(jīng)受臟污氣流的沖刷、腐蝕，最終導(dǎo)致直管段內(nèi)壁粗糙度發(fā)生變化，對標(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)的誤差影響較大，如何減少誤差，提高計量系統(tǒng)精度，結(jié)合工作實踐談幾點認(rèn)識和維護(hù)體會。
1計量直管段使用情況調(diào)查
氣田計量管段自投人使用以來，所有標(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)粗糙度均按0.15mm進(jìn)行修正并參與流量計算。對現(xiàn)場使用的計量管段抽樣調(diào)查(結(jié)果見表
1)發(fā)現(xiàn)部分計量直管段內(nèi)壁嚴(yán)重存在腐蝕、結(jié)垢、結(jié)皮等現(xiàn)象，經(jīng)測算確認(rèn)粗糙度在0.2~2mm之間,遠(yuǎn)大于計量系統(tǒng)目前的設(shè)定值(0.15mm)，直接影響計量系統(tǒng)的精度。
按表1分類，分別選取了豐谷站備用管線、江沙7井管線、135管道1、新計量管四根計量管進(jìn)行粗糙度檢測，這四條計量管基本情況以及粗糙度檢測結(jié)果如表2。
由表2可以看出，計量管的內(nèi)壁粗糙程度跟使用條件有很大關(guān)系，就氣田的氣質(zhì)而言，計量管投人使用后粗糙度就會發(fā)生較大的變化，其中結(jié)垢和結(jié)皮對其內(nèi)壁粗糙度影響最大，計量管的內(nèi)壁粗糙度與氣質(zhì)臟污程度、輸氣量大小、使用年限長短成正比。按使用年限、氣質(zhì)條件、日輸氣量，其內(nèi)壁粗糙度程度可根據(jù)上述三個因素大致分為四類，其中--類計量管的內(nèi)壁粗糙度0.9mm，二類計量管內(nèi)壁粗糙度在0.4mm左右;三類粗糙度0.25mm左右;四類粗糙度情況最好，為0.015mm左右。
2直管段粗糙度變化帶來的計量誤差
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計運行時，對直管段的要求主要包括:(1)直管段長度;(2)直管段圓度和直徑;(3)直管段內(nèi)壁粗糙度。以上三個條件中，直管段粗糙度最易發(fā)生變化。欲達(dá)到規(guī)定的不確定度值，直管段內(nèi)壁粗糙度必須滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446--2008所提要求。
由于天然氣從地層中采出來，雖經(jīng)分離、除塵或過濾，因其所含成分十分復(fù)雜，從單井采氣計量、集氣計量到配氣計量，氣質(zhì)組分各不相同，因而節(jié)流裝置在使用過程中其沖刷、腐蝕程度也不相同。經(jīng)調(diào)查研究表明，氣流對孔板直角人口邊緣和測量管內(nèi)璧的沖刷腐蝕尤為嚴(yán)重，這將造成流出系數(shù)C發(fā)生變化，流量測量不確定度超過估算值。為了減小誤差，推薦更新孔板和新測量管，若要繼續(xù)使用可求出粗糙度算術(shù)平均偏差R,，對流出系數(shù)修正后再使用。
修正方法為:將原流出系數(shù)C乘上粗糙度系數(shù)YRe，即:
C'=C·YRe·bk(1)
式中:C'為修正后的流出系數(shù);C為標(biāo)準(zhǔn)流出系數(shù);YRe為管道粗糙度修正系數(shù);bk為孔板開孔人口邊緣尖銳度修正系數(shù)。
注:本文不討論孔板開孔入口邊緣尖銳度磨損對計量的影響。
其中修正系數(shù)YRe隨測量管內(nèi)壁相對粗糙度K/D和管徑雷諾數(shù)ReD而變化，其值按下式計算:
當(dāng)ReD≥106時，
YRe=γRe=γoo
γo與直徑比β2和相對粗糙度的倒數(shù)D/K有關(guān),其值在標(biāo)準(zhǔn)GB/T21446--2008中查表求得。其中,K為等效絕對粗糙度，可從標(biāo)準(zhǔn)CB/T21446--2008中查表取得，有條件的情況下，用流體實驗方法測出相對粗糙度K/D。
γo由β2和D/K共同決定，換言之，由粗糙度帶來的計量誤差由β2和D/K分別引入。對同-計量管,其相對粗糙度是一定的，因此其γ0隨β增大而增大;而β的大小往往由輸氣量大小決定，氣量越大，β值越大。
當(dāng)D/K=400,β2=0.6時，查表可知γo達(dá)到最大，為1.020;同時標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，法蘭取壓時，ReD≥106，則γRe=γo，即此時γRe=1.020，則C'=1.020C。
已知:
即:當(dāng)D/K=400,β2=0.6時，由測量管內(nèi)壁粗糙帶來的計量相對誤差為(1.02-1)x100%=2%。也就是說，如果不對計量管進(jìn)行粗糙度修正，結(jié)果會比實際值偏低2%。
然而，對于腐蝕程度高、嚴(yán)重結(jié)皮的鋼管，其K值可能大于2mm,Ra可能大于0.6mm。
依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，大部分應(yīng)用較久、氣質(zhì)較臟的計量管其內(nèi)壁粗糙度較大，D/K值大多小于400，因.此C'極可能大于1.020C，即由測量管內(nèi)壁粗糙引人的計量相對誤差也大于2%。目前在某些廠家的計算軟件可以對粗糙度小于1mm的情況進(jìn)行修正，超過1mm的就不能修正了。因此，若測量管內(nèi)壁粗糙度大于1mm,則不具備修正意義，應(yīng)更換新的計量管。
3四類計k管粗糙度誤差影響
結(jié)合實驗用計量直管段現(xiàn)場使用條件，采用上文所述方法可以計算得出該四條直管段在使用過程中給計量帶來的誤差影響。
(1)豐谷站備用計量直管段粗糙度帶來的計量誤差影響:
由表1提供的參數(shù):K=0.870mm，則D/K=150/0.870=172;β2=0.62=0.36
由于D/K=172<400,無法通過標(biāo)準(zhǔn)查表求得γo值，但依據(jù)表中γo變化趨勢可大致判定γo的范圍在1.009~1.014之間，則C'也在(1.009-1.014)C之間。即該計量管因粗糙度引人的計量誤差在-(0.9~1.4)%之間。
(2)江沙7井計量直管段粗糙度帶來的計量誤差影響:
由表1提供的參數(shù):K=0.416mm,則D/K=80/0.416=192;β2=0.27=0.073≈0.1
由于D/K=192<400,無法通過標(biāo)準(zhǔn)查表求得Yo值，但依據(jù)表中γo變化趨勢可大致判定γo的范圍在1.003~1.006之間,則C'也在(1.003~1.006)C之間。即該計量管因粗糙度引人的計量誤差在-(0.3~0.6)%.之間。
(3)135井管道1計量直管段粗糙度帶來的計量誤差影響:
由表1提供的參數(shù):K=0.230mm，則D/K=100/0.230=435;β2=0.52=0.25.
由于D/K=435>400，可以查表求得γo值，在1.003~1.006之間。則C'也在(1.003~1.006)C之.間。該計量管因粗糙度引人的計量誤差在-(0.3~0.6)%之間。
(4)新計量管的內(nèi)壁很光潔則可忽略粗糙度引入的計量誤差。
4直管段內(nèi)壁粗糙度修正
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，因測量管內(nèi)壁粗糙度變化導(dǎo)致的流出系數(shù)C將發(fā)生變化，流量測量不確定度超過估算值。為了避免這種超差，推薦更新孔板和新測量管，若要繼續(xù)使用可求出粗糙度算術(shù)平均偏差Ra,對流出系數(shù)修正后再使用。
由于標(biāo)準(zhǔn)只對D/K≥400的情況提出了規(guī)定，因此現(xiàn)場在用的部分計量管是無法按實際粗糙度進(jìn)行修正的。就目前采用的積算軟件而言,K值最大也只能修正到D/K=400的情況，表3列出了氣田內(nèi)目前常用的幾種測量管可以進(jìn)行修正的粗糙度值。
由表3可知:不同管徑的計量管，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)能修正的K值的最大限值，即超過該范圍就不能修正了，也就是超限K值參與積算出的流量已經(jīng)偏離正常值。
例:現(xiàn)有在用計量管150mm，β值為0.7，K為0.44mrm。
則:D/K=340，查表3得，最大K值為0.375mm。D/K=400，β2=0.5時，在標(biāo)準(zhǔn)中查表γo為1.014,即相對修正量為1.4%。
D/K=340<400，因此實際相對修正量應(yīng)該大于1.4%
同時，目前川西氣田所有的計量直管段粗糙度修正系數(shù)均取0.15mm，經(jīng)推算現(xiàn)場相對修正量僅為(0.6~0.9)%，即比理論修正量偏低(0.5~0.8)%。
由此可得，川西氣田現(xiàn)用的粗糙度修正系數(shù)0.15mm不合理，應(yīng)依據(jù)計量管的實際粗糙度情況，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取值。對沒有超過限值的按實際K值修正，對超過限值的，按最大限值進(jìn)行修正。下面(見表4)將給出不同管徑的各類計量管應(yīng)采用的修正值。
豐谷站備用管線與江沙7井計量管段，均為D/K<400,標(biāo)準(zhǔn)并未給出D/K<400時的Yn值查詢，因此無法進(jìn)行粗糙度修正，故該兩類計量管已不具備粗糙度修正的意義。
135井管道1計量直管段由于D/K>400,沒有超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，因此可以通過軟件進(jìn)行粗糙度修正，修正值即為實測K值0.23mm。
5直管段使用維護(hù)建議
目前，川西氣田的一類測量管內(nèi)璧粗糙度約為0.9mm左右，有嚴(yán)重結(jié)皮現(xiàn)象;二類測量管內(nèi)壁粗糙度在0.40mm左右，內(nèi)壁大多數(shù)有結(jié)垢和輕微結(jié)皮現(xiàn)象;三類測量管內(nèi)璧粗糙度在0.25mm左右，內(nèi)壁大多數(shù)有結(jié)垢現(xiàn)象。這三類測量管在不同管徑下，采用的K值修正值各不相同。.
目前，氣田內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)孔板計量系統(tǒng)對測量管統(tǒng)一采用0.15mm的修正值，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推算內(nèi)壁粗糙度給計量系統(tǒng)引人的誤差可達(dá)2%以上，因此須分類修正。
當(dāng)粗糙度沒有超過限值時采用實測值修正，對超過限值的按最大限值修正。當(dāng)然超過限值的按最大限值進(jìn)行修正，也只是從一定程度上減小粗糙度對計量的影響，要從根本上消除其影響只有確保計量管內(nèi)壁光滑、潔凈，盡可能將天然氣中油、水、雜質(zhì)等分離干凈，加強對計量管的檢查維護(hù)，對沒有維護(hù)價值的進(jìn)行更換。因此，測量管在使用過程中，直管段內(nèi)璧應(yīng)保持清潔、除掉污垢，管道內(nèi)壁上的腐蝕硬皮應(yīng)除掉,同時對內(nèi)壁表面粗糙度進(jìn)行檢測，至少在孔板上游側(cè)10D的直管段部分(即測量管)應(yīng)滿足GB/T21446--2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有明顯沖刷和腐蝕時，如其內(nèi)壁粗糙度不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時，更新為內(nèi)表面符合要求的測量管。
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