控制网

    1 引言

    在天然气集输过程中，配气站是天然气外输的最终环节，配气站的天然气计量至关重要，计量准确与否不但影响天然气供需双方的经济利益，而且影响计量交接、气量结算、企业信誉。由于天然气计量的难度远远高于液体计量，计量结果的影响因素繁多，计算公式复杂，因此，采用高准确度的自动计量是供需双方的迫切要求，也是计量技术新发展的迫切需要。计量的准确性取决于三个方面的要素：

    •设备安装是否规范。

    •信号采集是否稳定可靠，误差是否符合标准。

    •计算误差是否符合标准。

    对于生产计算设备的厂家来说，主要考虑2、3要素，比如北京安控科技股份有限公司（以下简称“安控科技”）的天然气流量计算机HC601，首先要求信号采集稳定可靠，精度达到1‰；其次要求计算误差小于1‰。本人在实践过程中，总结了以下几点。

    2 编写计算流程容易忽略的问题

    我国推行的标准是《GB/T21446-2008 用标准孔板流量计测量天然气流量》，这个标准并没有提到公开的核准软件，各鉴定机构核准计算数据的方式不尽相同，影响计算结果的因素又较多，稍有不慎就有偏差超过1‰的可能。尽管将计算程序编写出来，计算的结果也能符合标准的实例，但是往往因为没有行业经验，很容易忽略2个问题：

      (1)：尖锐度计算

      由于国内孔板材质较差，孔板只是在最初使用时才可能符合标准要求，使用一段时间后孔板的入口边缘的磨损加剧，在孔板的上下游产生的差压减少，使流量计算的结果比实际流量偏小，根据标准《GB/T21446-2008》6.1.6.2的解释，当rK大于0.0004d时，参见附录D处理。其中rK表示孔板直角入口边缘圆弧半径，d为孔板直径。标准《GB/T21446-2008》附录D明确了处理办法，当rK/d>0.0004时，推荐更换新孔板，若不更换，则必须纠正流出系数C，纠正公式如下：

    C′=C X b_K (1)

    b_K与r_K/ d 的关系如下表：

                                        表1 b_K与r_K/ d 的关系
   
                      

     在生产过程中，一般使用孔板年限作为尖锐度计算的输入参数，那么孔板年限t的取值为0~+∞，实际情况下孔板使用超过10年就得更换，这里不展开详述。从公式可以看出，当t=0时，r_K=0.03mm, 即使是新孔板,只要d≤75mm ,都需要纠正流出系数,这与实际陈述有矛盾，或许此公式的成立必有特定条件，比如d必须大于75mm，但是标准中并没有特别说明，除非我们不用此公式，通过实测来获得r_K，在生产过程中实测rK是比较困难的，不利于生产。我们的经验做法是将新孔板定义为1个月，所有新孔板，当在一个月内使用，不需要纠正流出系数。

      (2)：粗糙度计算。

    在计量标准中规定节流装置的前后直管段必需是光管，但现场施工时往往采用的是无缝钢管代替了光管，一开始就达不到标准要求，使用一段时间后，管线磨损加剧，管壁锈蚀斑斑，特别在管道含硫，二氧化碳等腐蚀介质时，管道粗糙度更加偏离，需要纠正流出系数。

    当然，需要纠正流出系数C还需要一个前提条件，当直管段内壁粗糙度满足10⁴Ra/D计算的值小于或等于表2给出的最大值并大于或等于表3给出的最小值，不需要纠正流出系数。

    Ra=K/л (2)
 
    K ：表示钢管内壁绝对粗糙度，可以测量出来，计算时需要输入此值。

    D ：表示测量管内直径。

                                         表2 10⁴Ra/D的最大值 
                      
 
                                        表3 10⁴Ra/D的最小值
                   
 

    在使用过程中如对上游10D的直管段内壁进行检测，其内壁粗糙度不符合表2表3的规定，参见标准《GB/T 21446-2008》的附录D处理。

    在不符合表2表3规定时，分析以下条件是否满足：

    1〉1μm≤Ra≤6μm，D≥150mm，β≤0.6，Re_D ≤5 X 10⁷ ;

    2〉1.5μm≤Ra≤6μm，D≥150mm，β>0.6，Re_D ≤1.5 X 10⁷ 。

    满足以上2条件不需要纠正流出系数C，其它情况下不满足表2表3规定需要纠正流出系数。

    附录D处理公式如下：

    C’=C X γ_Re (3)

    γ_Re =（γ₀-1） (4)

    当R_eD≥ 10⁶时，γ_Re =γ₀ 。

    下面是γ₀与直径比β²和相对粗糙度的倒数D/K有关，见值表：

                        表4 γ₀与直径比β²和相对粗糙度的倒数D/K相关值
                         

    从这个表分析D/K 下界是400，上界+∞ ，从结果分析只要≥3200，γ₀都是1，生产过程中，很可能会遇到D/K<400的现象，标准没有给出明确的解决办法。按照标准应用，不应该出现此类现象。事实上测量管内经越小，要求内壁粗糙度越小，才能满足计量要求，否则需要更换。

    总之，这两个问题是很容易被忽略的，影响流出系数的整体公式如下：

    C’=C X γ_Re X b_K (5)

    这两个因素对计量的准确度超过了估计值，因此必须考虑。

    3 如何计算未知组分的天然气流量

    国家标准《GB/T 17747.3-1999 天然气压缩因子的计算第三部分：用物性值进行计算 》，适应无法得到气体摩尔组分来计算天然气的压缩因子。通过该标准，压缩因子可以得到，我们知道计算天然气流量，不仅与压缩因子有关系，还与其它因子也有关系，下面我们来看计算天然气流量的公式：

    标准参比条件下的体积流量

    q_Vn  =   (6)

    (7)

    利用《GB/T 17747.3-1999》标准，可以计算出Z1，但是计算不出Zn，Zn的计算公式如下：

   (8) 

       其中  √b_j  天然气 j 成分的求和因子，按标准可查表计算，都是常数；
 
    X_j :天然气组分的摩尔分数，由气分析给出；

    n :天然气组分总数，目前有21种。

    因为无法获得组分，因此Zn无法求出，流量计算的结果也就无法得到，在标准中再没有其它公式可以直接获得Z_n。根据我们掌握的知识以及标准提供的公式可以推导如下：

    物性值计算参数输入： d, H_s, X_{co2 (}二氧化碳组分),XH₂（氢气组分）

    其中，相对密度d是指在相同的规定压力和温度的条件下，气体的密度除以具有标准组成的干空气的密度。这里的规定条件是273.15K,101.325kPa

    1〉计算标况下真实气体密度

    ρ_n(真实气体密度)=d*ρn(干空气真实密度) (9)

    ρ_n(干空气真实密度)=1.292932kg.m-³ (10) 

    2〉计算摩尔质量

    ρ(质量密度)=M*ρ_m(摩尔密度) (11)

    在标况下计算摩尔质量

    M=ρ_n(真实气体密度)/ ρ_m,n(摩尔密度) (12)

    3〉计算标况下摩尔密度（ρ_m,n）

    根据GB/T 17747.3-1999(公式B4),得出摩尔密度与Bn(v)的关系，迭代计算出摩尔密度,公式如下：

    V_m,n(理想)=RT_n/P_n (13)

    R=0.00831451

    T_n=273.15K

    P_n=0.101325MPa

    ρ_m,n=1/[V_m,n(理想)+B_n(v)] (14)

    根据迭代首先计算出等价烃摩尔发热量，然后将结果代入计算出新B_n(v)，再次重复迭代计算出B_n(v)，迭代结束，B_n(v)结果已知，从而获得标准状态下的摩尔密度ρ_m,n,代入式(12),可求得摩尔质量M。

    4〉计算理想气体相对密度

    根据摩尔质量和以下公式，可以算得天然气理想相对密度Gi

     G_i=M/M_a (15)

     M_a(干空气摩尔质量，常数28.9626)

    5〉计算G_r 真实天然气相对密度和Z_n，在标准参比条件(293.15，101.325kPa)下:

   (16)

     再根据

     Gr=d(273.15,101.325kPa)/1.0003 (17)

    这里d是输入参数，Gr可以计算出来，代入式GB/T 21446-2008 (A.7)，可得出：

    Z_n=Z_a/G_r*G_i (18)

    Z_a表示干空气在标准参比条件下的压缩因子，常数0.99963，Z_n获得，Fz可以计算出来，其它量根据标准可以计算出来，从而在未知天燃气组分的条件下，可以计算出天然气的流量。

    6〉数据验证：

    根据以上的公式，进行实际演算。我们用已知组分、压力、差压、温度等参数，在相同条件下的对同组气体，使用标准《GB/T 17747.2-1999 天然气压缩因子的计算 第二部分：用摩尔组分进行计算》和《GB/T 17747.3-1999 天然气压缩因子的计算 第三部分：用物性值进行计算》两种方式计算压缩因子，并计算相应的流量，通过对比发现，两种计算误差不会超过1‰，符合标准的不确定度。见下表，相同条件下用孔板计量6组气样作对比：

     差压P1=5000Pa，压力P=10MP， 温度T=15℃，管径50mm，β=0.75，孔板年限0年，管壁粗糙度0.0，当地大气压0.0965MPa，法兰取压，孔板材料膨胀系数16. 60X10-6 ，测量管膨胀系数11.16X10-6 。

                                     表5:GB/T 17747.3-1999算法输入条件
                     

                                  表6:GB/T 17747.2-1999算法输入条件
                    

    六组气样，相对密度系数d与高位发热量Hs都可以通过摩尔组分计算出来，这里不细说。

                                      表7:体积秒瞬量计量结果比较
          
                        
   
    4 计算秒体积发热量比计算秒质量发热量大的原因

    天然气作为一种优质清洁能源，用来发电、供暖、烹饪等行业，同时还是国家的重要化工原材料。对用于燃烧发热的行业来说，发热量是用户最关心的，在相同条件下，同样体积的气体，由于气体成分不相同，发热量就不一样，有的天然气发热量高，有的天然气发热量低。各地生产的天然气的组分不尽相同，如用体积计量，用户所用气体组分不同，完成相同任务，使用的天然气数量不一样，付费也就不一样。为了体现公平，计量气体的发热量就成为供需双方共同关心的焦点，用户可以按照发热量进行付费。

    按照标准《GB/T 21446-2008》计量天然气发热量时，我们发现每秒体积发热量与每秒质量发热量有一点差别，并且每秒体积发热量总是稍大于每秒质量发热量。按道理天然气流经孔板计量的流量，不管用体积计量还是质量计量，发热量总是相等，但事实上演算得到的结论是不相等。

    比如：我们用上述1#气样，孔板计量体积流量是1.0838m3 /秒 ，质量流量是0.7587kg/秒，秒体积发热量是41.0642MJ/秒，秒质量发热量是41.0638MJ/秒，差0.0004MJ/秒 。

    究其原因如下：

    1〉 标准参比条件下，天然气体积发热量

    q_evns = q_vns H_sP_n/R/T_n/Z_n

    = q_vnsH_s/Z_n(P_n/(R*T_n) (19)

    q_evns : 表示每秒体积发热量

    H_s : 表示摩尔发热量

    P_n : 常数0.101325Mpa

    T_n : 常数293.15K

    R : 常数0.00831451

    Z_n : 天然气在标准参比条件下的压缩因子（见公式18）

    2>标准参比条件下，天然气质量发热量

    q_ems = q_ms H_s/M

    = A_ms/A_vnsq_vnsG_rH_s/M

    = q_vns(A_ms/A_vns)Z_aM/(Z_nM_a)(H_s/M)

    = q_vnsH_s/Z_n(A_msZ_a)/(A_vnsM_a) (20)

    q_ems :秒质量发热量

    q_ms :秒质量 

    A_ms :质量流量计量系数，秒质量系数为3.8295X10-6

    Avns :秒体积计量系数为3.1795X10-6  

    G_r :标准参比条件下的真实相对密度

    H_s :表示摩尔发热量

    M :摩尔质量

    Z_n :天然气在标准参比条件下的压缩因子（见式3）

    Z_a :干空气在标准参比条件下的压缩因子，值为0.99963

    M_a :干空气摩尔质量，值为28.9626

    经过式(1)和式(2)对比发现，式(19) P_n/(R*T_n)与式(20) (A_msZ_a)/(A_vnsM_a),是两式中的不同部分，并且这部分都是常数，经计算得出：

    P_n/(R*T_n) = 0.04157096

    (A_msZa)/(A_vnsM_a) = 0.04157047

    结果是用体积计算的发热量常数部分P_n/(R*T_n)大于用质量计算的发热量常数部分(A_msZ_a)/(A_vnsM_a)，因此不难理解计算秒体积发热量比计算秒质量发热量大的问题，这是由于浮点数保留进位导致的，属于正常现象。

    5 如何保证累积的准确性

    天然气在计量过程中准确度非常重要，不仅瞬量计算要准确，而且累计量也必须准确。累计量计算准确的前提是瞬量计算必须准确，计量时钟必须准确，二者缺一不可。瞬量计算可以进行静态数据的算法比对，来验证准确性，时钟的准确性必须通过长时间时钟的累积，来验证准确性。我们天然气流量计算机是采用系统的硬件时钟中断来获得，不受系统运行负荷的影响，每到一秒，累积一次，每一秒都非常精准，因此能够保证累积的准确性。

    6 孔板清洗过程补偿计算

    天然气在生产过程中，由于矿场分离器的设备老化，管线的锈蚀，以及天然气中的油水及砂粒粉尘，在孔板表面沉积了大量污物，使孔板计量严重偏低，这部分气量损失是无法用公式补偿的，必须通过经常性清洗孔板，来纠正偏差。在清洗孔板过程中，计算装置无法获得信号，计量将停止，累积也就终止，清洗孔板时，又不能停止供给天然气，丢失的气体该如何补偿是一个棘手的问题，我们提出补偿方式有三种，一是前补偿，二是后补偿，三是前后补偿。

    前补偿就是在计算天然气的同时，记录前n（n<=20）分钟的每秒平均量，再记录清洗过程中的时间，即累积秒数，补偿量就是他们的乘积。这种方式适应供气比较稳的站，一般差压波动不大。

    后补偿就是在孔板清洗完，安装好后，从计算开始采集n（n<=20）分钟的每秒平均量，补偿量就是每秒平均量与清洗孔板过程中累积时间秒数的乘积。这种方式也是适应于供气稳定的站，一般差压波动不大。

     前后补偿就是在计算天然气的同时，记录前n（n<=20）分钟的每秒平均量，孔板清洗结束，从开始计算起，再记录n（n<=20）分钟的每秒平均量，然后将两个平均量再做平均，补偿量就是最后的平均秒流量与清洗孔板过程的时间秒累积的乘积。这种方式适应供气不够稳定的站，一般差压波动较大。

    总结，在天然气流量计算方面的国家标准已经比较完善，但个别部分值得推敲研究，特别希望检定机构能够提供公开的鉴定工具，以便于用户校核数据，提高国内产品的研发效率。

        摘自《自动化博览》2011年第六期