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  时间:2023-1-5 08:49:18

管壁粗糙度对标准孔板计量的误差

[摘要]标准孔板计量系统用于天然气流量计量,测量管在运行过程中,直管段内壁粗糙度发生变化。文章按使用年限、气质条件、日输气量等因素将真管段内壁粗糙度分为四类,分析了各类测量管粗糙度变化,对计量系统误差的影响,并列举了对不同管径的各类计量管粗糙度的修正。最终提出为减少粗糙度对标准孔板计量系统的误差影响,对上下游直管段的维护建议。
中石化西南油气分公司川西气田目前广泛采用以.标准孔板作为一次仪表的差压式计量系统进行天然气流量计量,多数井在后期开发中泡沫排水等工艺措施十分频繁,天然气中含大量水、油、粉尘等杂质,测量管在使用过程中,由于长期经受脏污气流的冲刷、腐蚀,最终导致直管段内壁粗糙度发生变化,对标准孔板计量系统的误差影响较大,如何减少误差,提高计量系统准确度,笔者结合工作实践谈几点认识和维护体会。
1计量直管段使用情况调查
  川西气田计量管段自投人使用以来,所有标准孔板计量系统粗糙度均按0.15mm进行修正并参与流量计算。对现场使用的计量管段抽样调查(结果见表
1)发现部分计量直管段内壁严重存在腐蚀、结垢、结皮等现象,经测算确认粗糙度在0.2~2mm之间,远大于计量系统目前的设定值(0.15mm),直接影响计量系统的准确度。
  按表1分类,分别选取了丰谷站备用管线、江沙7井管线、135管道1、新计量管四根计量管进行粗糙度检测,这四条计量管基本情况以及粗糙度检测结果如表2。
 
  由表2可以看出,计量管的内壁粗糙程度跟使用条件有很大关系,就川西气田的气质而言,计量管投人使用后粗糙度就会发生较大的变化,其中结垢和结皮对其内壁粗糙度影响最大,计量管的内壁粗糙度与气质脏污程度、输气量大小、使用年限长短成正比。按使用年限、气质条件、日输气量,其内壁粗糙度程度可根据上述三个因素大致分为四类,其中--类计量管的内壁粗糙度0.9mm,二类计量管内壁粗糙度在0.4mm左右;三类粗糙度0.25mm左右;四类粗糙度情况最好,为0.015mm左右。
2直管段粗糙度变化带来的计量误差
  标准孔板流量计运行时,对直管段的要求主要包括:(1)直管段长度;(2)直管段圆度和直径;(3)直管段内壁粗糙度。以上三个条件中,直管段粗糙度最易发生变化。欲达到规定的不确定度值,直管段内壁粗糙度必须满足标准GB/T21446--2008所提要求。
  由于天然气从地层中采出来,虽经分离、除尘或过滤,因其所含成分十分复杂,从单井采气计量、集气计量到配气计量,气质组分各不相同,因而节流装置在使用过程中其冲刷、腐蚀程度也不相同。经调查研究表明,气流对孔板直角人口边缘和测量管内璧的冲刷腐蚀尤为严重,这将造成流出系数C发生变化,流量测量不确定度超过估算值。为了减小误差,推荐更新孔板和新测量管,若要继续使用可求出粗糙度算术平均偏差R,,对流出系数修正后再使用。
  修正方法为:将原流出系数C乘上粗糙度系数YRe,即:
C'=C·YRe·bk(1)
  式中:C'为修正后的流出系数;C为标准流出系数;YRe为管道粗糙度修正系数;bk为孔板开孔人口边缘尖锐度修正系数。
注:本文不讨论孔板开孔入口边缘尖锐度磨损对计量的影响。
  其中修正系数YRe随测量管内壁相对粗糙度K/D和管径雷诺数ReD而变化,其值按下式计算:
 
当ReD≥106时,
YRe=γRe=γoo
  γo与直径比β2和相对粗糙度的倒数D/K有关,其值在标准GB/T21446--2008中查表求得。其中,K为等效绝对粗糙度,可从标准CB/T21446--2008中查表取得,有条件的情况下,用流体实验方法测出相对粗糙度K/D。
  γo由β2和D/K共同决定,换言之,由粗糙度带来的计量误差由β2和D/K分别引入。对同-计量管,其相对粗糙度是一定的,因此其γ0随β增大而增大;而β的大小往往由输气量大小决定,气量越大,β值越大。
  当D/K=400,β2=0.6时,查表可知γo达到最大,为1.020;同时标准中规定,法兰取压时,ReD≥106,则γRe=γo,即此时γRe=1.020,则C'=1.020C。
已知:
 
  即:当D/K=400,β2=0.6时,由测量管内壁粗糙带来的计量相对误差为(1.02-1)x100%=2%。也就是说,如果不对计量管进行粗糙度修正,结果会比实际值偏低2%。
  然而,对于腐蚀程度高、严重结皮的钢管,其K值可能大于2mm,Ra可能大于0.6mm。
  依据现场调研,大部分应用较久、气质较脏的计量管其内壁粗糙度较大,D/K值大多小于400,因.此C'极可能大于1.020C,即由测量管内壁粗糙引人的计量相对误差也大于2%。目前在某些厂家的计算软件可以对粗糙度小于1mm的情况进行修正,超过1mm的就不能修正了。因此,若测量管内壁粗糙度大于1mm,则不具备修正意义,应更换新的计量管。
3四类计k管粗糙度误差影响
  结合实验用计量直管段现场使用条件,采用上文所述方法可以计算得出该四条直管段在使用过程中给计量带来的误差影响。
(1)丰谷站备用计量直管段粗糙度带来的计量误差影响:
  由表1提供的参数:K=0.870mm,则D/K=150/0.870=172;β2=0.62=0.36
  由于D/K=172<400,无法通过标准查表求得γo值,但依据表中γo变化趋势可大致判定γo的范围在1.009~1.014之间,则C'也在(1.009-1.014)C之间。即该计量管因粗糙度引人的计量误差在-(0.9~1.4)%之间。
(2)江沙7井计量直管段粗糙度带来的计量误差影响:
  由表1提供的参数:K=0.416mm,则D/K=80/0.416=192;β2=0.27=0.073≈0.1
  由于D/K=192<400,无法通过标准查表求得Yo值,但依据表中γo变化趋势可大致判定γo的范围在1.003~1.006之间,则C'也在(1.003~1.006)C之间。即该计量管因粗糙度引人的计量误差在-(0.3~0.6)%.之间。
(3)135井管道1计量直管段粗糙度带来的计量误差影响:
  由表1提供的参数:K=0.230mm,则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之间。则C'也在(1.003~1.006)C之.间。该计量管因粗糙度引人的计量误差在-(0.3~0.6)%之间。
(4)新计量管的内壁很光洁则可忽略粗糙度引入的计量误差。
4直管段内壁粗糙度修正
  标准中规定,因测量管内壁粗糙度变化导致的流出系数C将发生变化,流量测量不确定度超过估算值。为了避免这种超差,推荐更新孔板和新测量管,若要继续使用可求出粗糙度算术平均偏差Ra,对流出系数修正后再使用。
  由于标准只对D/K≥400的情况提出了规定,因此现场在用的部分计量管是无法按实际粗糙度进行修正的。就目前采用的积算软件而言,K值最大也只能修正到D/K=400的情况,表3列出了气田内目前常用的几种测量管可以进行修正的粗糙度值。
  由表3可知:不同管径的计量管,现行标准能修正的K值的最大限值,即超过该范围就不能修正了,也就是超限K值参与积算出的流量已经偏离正常值。
 
例:现有在用计量管150mm,β值为0.7,K为0.44mrm。
  则:D/K=340,查表3得,最大K值为0.375mm。D/K=400,β2=0.5时,在标准中查表γo为1.014,即相对修正量为1.4%。
D/K=340<400,因此实际相对修正量应该大于1.4%
  同时,目前川西气田所有的计量直管段粗糙度修正系数均取0.15mm,经推算现场相对修正量仅为(0.6~0.9)%,即比理论修正量偏低(0.5~0.8)%。
  由此可得,川西气田现用的粗糙度修正系数0.15mm不合理,应依据计量管的实际粗糙度情况,并结合标准进行取值。对没有超过限值的按实际K值修正,对超过限值的,按最大限值进行修正。下面(见表4)将给出不同管径的各类计量管应采用的修正值。
 
  丰谷站备用管线与江沙7井计量管段,均为D/K<400,标准并未给出D/K<400时的Yn值查询,因此无法进行粗糙度修正,故该两类计量管已不具备粗糙度修正的意义。
  135井管道1计量直管段由于D/K>400,没有超出标准范围,因此可以通过软件进行粗糙度修正,修正值即为实测K值0.23mm。
5直管段使用维护建议
  目前,川西气田的一类测量管内璧粗糙度约为0.9mm左右,有严重结皮现象;二类测量管内壁粗糙度在0.40mm左右,内壁大多数有结垢和轻微结皮现象;三类测量管内璧粗糙度在0.25mm左右,内壁大多数有结垢现象。这三类测量管在不同管径下,采用的K值修正值各不相同。.
  目前,气田内标准孔板计量系统对测量管统一采用0.15mm的修正值,依据标准推算内壁粗糙度给计量系统引人的误差可达2%以上,因此须分类修正。
  当粗糙度没有超过限值时采用实测值修正,对超过限值的按最大限值修正。当然超过限值的按最大限值进行修正,也只是从一定程度上减小粗糙度对计量的影响,要从根本上消除其影响只有确保计量管内壁光滑、洁净,尽可能将天然气中油、水、杂质等分离干净,加强对计量管的检查维护,对没有维护价值的进行更换。因此,测量管在使用过程中,直管段内璧应保持清洁、除掉污垢,管道内壁上的腐蚀硬皮应除掉,同时对内壁表面粗糙度进行检测,至少在孔板上游侧10D的直管段部分(即测量管)应满足GB/T21446--2008标准规定,当发现内表面有明显冲刷和腐蚀时,如其内壁粗糙度不符合标准规定时,更新为内表面符合要求的测量管。

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