摘要：綜合渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理、山西省非常規(guī)天然氣井口氣的氣質(zhì)和流動(dòng)特性，分析了流體組分和脈動(dòng)流對渦輪流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。結(jié)果表明，實(shí)際組分和流動(dòng)特性均會使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生正向系統(tǒng)誤差。基于此對修正正供銷差提出了建議。在山西省非常規(guī)天然氣大力發(fā)展之際，面對絕大多數(shù)企業(yè)貿(mào)易結(jié)算仍采取渦輪流量計(jì)計(jì)量的實(shí)際現(xiàn)狀，該探究結(jié)果對上、中、下游的供銷差管理具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。
隨著國內(nèi)天然氣市場需求不斷增加，天然氣對外依存度持續(xù)走高，對國內(nèi)天然氣的自采量增幅提出了更高的要求。山西的非常規(guī)天然氣資源總量約占全國的1/3，煤層氣資源豐富，2020年全省煤層氣開采量達(dá)到1×1010m3/a，在2025年將達(dá)到2×1010m3/a。渦輪流量計(jì)由流體推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生與流量成正比的電脈沖信號，具有精度高、重復(fù)性好、測量范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。在天然氣計(jì)量的應(yīng)用中，被測介質(zhì)的黏度、密度、臟污程度、管道安裝結(jié)構(gòu)、脈動(dòng)流和組分等在不同的場所各不相同，綜合各種影響因素后對渦輪流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度造成較大影響。為此，有必要結(jié)合實(shí)地情況采取必要的計(jì)量修正措施，確保渦輪流量計(jì)計(jì)量精度，為公平交易奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
山西省A分輸站（上游供氣公司）自2011年開始向B分輸站（下游用氣公司）供氣以來，供氣長期受正供銷差困擾，始終未得以徹底解決（A分輸站至B分輸站長輸管線長度約為2km）。為此，以A分輸站長期貿(mào)易計(jì)量交接的渦輪流量計(jì)為對象進(jìn)行研究。該渦輪流量計(jì)距離上游非常近壓縮站僅7km，且地形地勢特征高差較大，在全省非常規(guī)天然氣上下游計(jì)量交接中具有代表性。綜合各種影響因素的分析可知，氣體組分和脈動(dòng)流對計(jì)量的精度有較大影響。本文通過實(shí)際數(shù)據(jù)對比、AGA8-92DC方法和脈動(dòng)流定性影響分析對計(jì)量偏差進(jìn)行研究，是山西省非常規(guī)天然氣公平貿(mào)易的一項(xiàng)非常有意義的課題。
1渦輪流量計(jì)計(jì)量和換算原理
1.1計(jì)量原理
流體通過渦輪流量計(jì)時(shí)，流速被轉(zhuǎn)換為渦輪的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速再被轉(zhuǎn)換成與流量成正比的電信號，非常后在計(jì)數(shù)器上進(jìn)行顯示和累計(jì)。目前，絕大多數(shù)渦輪流量計(jì)都為一體化智能流量計(jì)，除上述機(jī)械計(jì)量部分外，還包括1臺體積計(jì)算儀，依據(jù)實(shí)測工況流量、取壓口實(shí)測壓力、測溫口實(shí)測溫度及內(nèi)部設(shè)定的一些固定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將工況體積轉(zhuǎn)換為可貿(mào)易交接的天然氣體積，其原理如圖1所示。
1.2換算原理
1.2.1工作條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式
工作條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式如式(1)所示：
式(1)中，qf為工作條件下的體積流量，m3/s；f為輸出工作頻率，Hz，由頻率計(jì)采集；k為系數(shù)，m-3，可按流量計(jì)銘牌給定值。
1.2.2標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量換算實(shí)用公式
標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量換算實(shí)用公式如式(2)所示：
式(2)中，qn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量，m3/s；pf為工作條件下的絕對靜壓力，MPa；pn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對靜壓力，MPa；Tn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；Tf為工作條件下的氣體絕對溫度，K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的氣體壓縮因子；Zf為工作條件下的氣體壓縮因子。
工作條件下的壓力和溫度的準(zhǔn)確度取決于測量儀表。標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對靜壓力為101.325kPa，熱力學(xué)溫度為293.15K。輸出工作頻率由頻率計(jì)采集得到。在不考慮測量儀表測量誤差的基礎(chǔ)上，研究范圍可進(jìn)一步縮小，可主要從天然氣組分對計(jì)量的影響和脈動(dòng)流對計(jì)量的影響兩方面進(jìn)行研究[1]。
2天然氣組分對計(jì)量的影響
2.1條件設(shè)定
非常規(guī)天然氣與天然氣相同，也是一種混合物，主要成分是烷烴，絕大多數(shù)是CH4，也含有少量非烴類氣體，其組分在各采氣區(qū)各不相同，但作為影響氣體壓縮因子的因素之一，目前在山西省的計(jì)量交接點(diǎn)處很少進(jìn)行在線分析，一般是在體積計(jì)算儀中輸入默認(rèn)組分比例作為換算的依據(jù)（設(shè)計(jì)組分）。
氣體壓縮因子Zn在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下受介質(zhì)組分變化影響極小（近似于1），但在高壓輸氣條件下，工作條件下的氣體壓縮因子Zf受組分影響會發(fā)生較大變化。山西省非常規(guī)天然氣的組分與典型的天然氣組分（設(shè)計(jì)組分）相比有較大變化，在高壓輸送計(jì)量中，氣體壓縮因子的變化對計(jì)量準(zhǔn)確度的影響已超出了其本身的計(jì)量精度，其影響不可忽略。A分輸站2020年9月24日11:06的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。
2.2組分?jǐn)?shù)據(jù)
設(shè)計(jì)組分選取典型天然氣組分，如表2所示。非常規(guī)天然氣實(shí)際組分以A分輸站歷年實(shí)際氣質(zhì)檢測報(bào)告結(jié)果為依據(jù)，如表3所示。
2.3理論分析組分對氣體壓縮因子的影響
壓縮因子的求得方式有很多種，包括儀器、理論計(jì)算方程、憑借經(jīng)驗(yàn)公式估算、Standing-Katz確定等[2]。GB/T17747.1—2011《天然氣壓縮因子的計(jì)算第1部分：導(dǎo)論和指南》推薦用AGA8-92DC和SGERG-88法。所研究分析的介質(zhì)已有歷年詳細(xì)的氣質(zhì)組分，同時(shí)考慮AGA8-92DC法精確度較高，因此選用AGA8-92DC法并通過VisualBasic編寫程序進(jìn)行計(jì)算。
依據(jù)表2典型天然氣組分和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算Zn/Zf，計(jì)算結(jié)果為1.0864，輸入及輸出結(jié)果如圖2所示。
依據(jù)表3非常規(guī)天然氣實(shí)際組分和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算Zn/Zf，計(jì)算結(jié)果如表4所示。
通過對比分析，采用設(shè)計(jì)組分計(jì)算時(shí)氣體壓縮因子比值為1.0864，而采用實(shí)際組分計(jì)算時(shí)為1.0613，偏差為2.365%。由此可知，不調(diào)整設(shè)計(jì)組分會導(dǎo)致正2.365%的供銷差。
2.4實(shí)際供銷差數(shù)據(jù)
2011—2019年實(shí)際供銷差如表5所示。
2.5天然氣組分對計(jì)量結(jié)果的影響
將理論計(jì)算與實(shí)際供銷差數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果相近，由此可知在假設(shè)條件和不考慮其他影響因素時(shí)，受非常規(guī)天然氣組分的影響，計(jì)量值偏大，正偏差值約為2.28%，對下游接氣單位不利，給下游單位的供銷差管理造成不利后果。
3脈動(dòng)流對計(jì)量的影響
脈動(dòng)流的成因有很多，如在緊鄰增壓機(jī)出口處、控制閥頻繁操作時(shí)、管線振蕩時(shí)和管線中有漩渦等，有時(shí)壓力和溫度探測器產(chǎn)生的
渦街也會形成脈動(dòng)流。其特性是介質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定，但周期性變化，流體在加速或減速過程中會影響葉輪旋轉(zhuǎn)速，但葉輪旋轉(zhuǎn)相對滯后，通俗可理解為“慣性”，由此對流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量造成一定的影響。
3.1流量測量
現(xiàn)階段，脈動(dòng)流的直接測量還存在很大困難，但可通過誤差方程分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和專業(yè)的脈動(dòng)流量誤差檢測設(shè)備檢測分析某一特定脈動(dòng)流的測量誤差。前兩種方法基于脈動(dòng)流的振幅和頻率的可測量性，振幅和頻率的測量可通過激光多普勒技術(shù)、熱線風(fēng)速儀法等。專業(yè)的脈動(dòng)流量誤差檢測設(shè)備已有設(shè)備制造廠家在生產(chǎn)。
3.1.1誤差方程分析
通過對機(jī)翼理論的研究，可列出涉及慣量、夾角、葉輪半徑、角速度等參數(shù)的誤差運(yùn)動(dòng)方程，通過編程可求得針對某一特定渦輪流量計(jì)的不同振幅和頻率脈動(dòng)流的測量誤差[3]。依據(jù)動(dòng)量守恒定律，可列出包含流速、切線速度等參數(shù)的非線性微分方程，通過計(jì)算和分析可理論推導(dǎo)測量誤差[4]。
3.1.2實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)
現(xiàn)場實(shí)測脈動(dòng)流的特性，采用已知標(biāo)準(zhǔn)體積壓縮空氣，在實(shí)驗(yàn)室模擬脈動(dòng)流，將測量值與標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行對比，分析測量誤差。
3.1.3誤差檢測設(shè)備檢測
上海自動(dòng)化儀表股份有限公司生產(chǎn)的一種燃?xì)饷}動(dòng)流誤差檢測設(shè)備，可較精確地測得脈動(dòng)誤差值，但暫未在山西省廣泛應(yīng)用。在絕大多數(shù)燃?xì)夤镜膶?shí)際運(yùn)行管理過程中，脈動(dòng)流的特性參數(shù)無法在日常運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取，因此，主要定性地說明脈動(dòng)流對渦輪流量計(jì)計(jì)量偏差的影響。
3.2測量誤差
已有很多學(xué)者針對脈動(dòng)流對計(jì)量的影響進(jìn)行了研究。分析結(jié)果可知，由于葉輪受流體加速影響小，受流體減速影響大，計(jì)量始終存在正供銷差。此外，正供銷差取決于脈動(dòng)流的振幅和頻率，整體來說，如果脈動(dòng)流頻率大于葉輪角頻率時(shí)正供銷差值較大，脈動(dòng)振幅增大時(shí)正供銷差值也隨之增大。
3.3脈動(dòng)流對計(jì)量結(jié)果影響
A分輸站渦輪流量計(jì)距離上游非常近的壓縮站（往復(fù)式壓縮機(jī)增壓）不到7km，且該分輸站工藝布置緊湊。據(jù)實(shí)地測量，流量計(jì)上游直管段長度約為6Dn（Dn為渦輪流量計(jì)口徑，mm），下游直管段長度約為4Dn。此外，7km管道沿線地勢高低不平，加之煤層氣氣質(zhì)水含量較大，導(dǎo)致在低洼處極易形成積液，積液也會造成脈動(dòng)流。2014年8—10月期間，下游公司發(fā)現(xiàn)正供銷差持續(xù)增大時(shí)，對A分輸站和B分輸站的渦輪流量計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定，但標(biāo)定結(jié)果均為合格。隨后下游公司在2014年11月5—7日對A至B分輸站段管線進(jìn)行了清管作業(yè)，共清出污水雜質(zhì)約23t，清管完成后正供銷差明顯減小。清管前后實(shí)際供銷差數(shù)據(jù)如表6所示。
除此之外，通過日常運(yùn)行監(jiān)測，供氣瞬時(shí)流量每次顯示數(shù)據(jù)都在變化，且在一定時(shí)間內(nèi)在1個(gè)值上下頻繁波動(dòng)（波動(dòng)幅度約為±20%）。綜合上述情況，該輸氣管道存在脈動(dòng)流的可能性很大。脈動(dòng)流會造成正供銷差影響，對下游接氣單位不利，因此有必要對脈動(dòng)流的影響進(jìn)行修正。
4結(jié)語
目前，山西省絕大多數(shù)分輸站未安裝在線色譜儀，且直接測量脈動(dòng)流流量的計(jì)量表還未被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。探究表明，山西省非常規(guī)天然氣的組分和脈動(dòng)流輸氣均會使渦輪流量計(jì)產(chǎn)生無法通過定期檢定來消除的正向系統(tǒng)誤差。因此，為確保作為上下游貿(mào)易交接依據(jù)的計(jì)量表測量的精度，保證公平交易，可通過誤差分析修正、組分修正、優(yōu)化工藝等方式對現(xiàn)渦輪流量直接測量結(jié)果進(jìn)行修正。
a)天然氣組分影響的修正建議。結(jié)合實(shí)際工況條件，合理調(diào)整渦輪流量計(jì)的壓縮因子和天然氣組分；當(dāng)精度要求較高時(shí)，采取安裝在線分析儀的方式實(shí)時(shí)更新流量計(jì)參數(shù)。
b)脈動(dòng)流影響的修正建議。通過工藝優(yōu)化、改造，使流體通過流量計(jì)時(shí)基本穩(wěn)定；選定合適的
流量計(jì)型號；實(shí)測脈動(dòng)流特性，理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)分析測量誤差，與結(jié)算方進(jìn)行誤差修正；采用誤差測量設(shè)備對測量誤差進(jìn)行測量和修正，并以此作為結(jié)算依據(jù)。
