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摘 要:本文针对流动调整技术在天然氣计量中应用相关问题进行分析,主要针对天然气流量计量站设计中的输气管道阻流件进行分析探讨,针对不同压力、不同流速下将产生的流动形态极性分析,根据上述现象研究开发流体整流设备。最后,根据阻流件的计流量原理来测量天然气的流量,对于今后天然气计量具有一定作用。
关键词:天然气计量流态分析整流技术
中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0052-02
1 引言
我国现有用于天然气贸易交接的计量站两百多个,其中包括天然气管线的计量分输站,各省、市的城市门站以及供给各类用户的计量站等。这些计量站的计量仪表设计中,大量地采用了超声波流量计、涡轮流量计、孔板流量计和涡街流量计等。而这类仪表的计量准确度都较大程度地与被测介质的流形流态有关。尤其是超声波流量计,不仅受流体的流形流态的影响,还会因传播到超声波探头的噪声干扰而使精度明显降低。过去,依据相关标准,采用了加前、后直管段的方法来改善安装条件,取得了一些效果,少数现场在前直管段之前还加装了性能较好的流体整流器,但由于种种原因,仍没有根本解决问题。例如,某省天然气管网的城市门站,超声波流量计上游安装10D直管段和一台板式多孔整流器,买卖双方因输气量计量不准多次查找原因,后来发现是由于安装时将整流器偏向一侧,造成气体介质流形不对称,从而导致仪表计量信号严重失真;将现场管线拆卸开来,用专用工具重新进行对中、安装,使流形达到对称,才满足了流量计的使用条件要求。
天然气计量数据是财务结算的凭证,所以计量准确度直接影响到买卖双方的经济利益。如何保证它的科学、公正和公平呢?本文认为,天然气的计量是一系统问题,不是简单的安装一块流量计量表的问题。依据JJGl059—1999《测量不确定度评定与表示》,天然气计量应解决好两个问题:第一,是天然气流量测量系统的仪表选型,包括流量计量表、压力变送器、温度变送器和组份分析仪等,依据GB／T18604的要求,这些设备可以通过建立数学模型来评定;第二,是安装条件要求,因为每种不同原理的仪表各有其独特性能,安装在管线上的动力设备、过滤设备、汇管等对近处的计量仪表都会产生影响。例如,管道的设计安装和运行过程中,采用压缩机增压,汇管、弯头、三通等阻流件分流,未全开阀门调压等。因此对管道内输送的流体介质的流形和流态将产生严重扰动,主要表现在产生不对称流、横向流、旋涡流等等。它们都会随机地影响测量不确定度。本文从理论上对流形和流态的产生进行分析,并进而给出一种解决的技术和方案。
2 国际天然气计量发展动态
世界上天然气工业比较发达的北美洲、欧洲和亚洲,以及我国周边的俄国、印度等国家,近年来建设了大量的高压、大口径的天然气管网,销售量每年约几万亿立方米。由于天然气价格的飞速上涨,人们更加认识到计量准确度的重要性。在天然气计量中最为困难的问题,就是在测量过程中,由于设计和安装天然气计量系统时造成的不对称流、旋涡流对计量准确度的影响。国际法制计量组织(OIML)为了推动天然气管道的扰动研究,定义了两种扰动件:在DNl50的管道中,两个不在同一平面的900弯头,在两个弯头的前面配制一个由DNl50扩径到DN200的扩径管,就称其为低级扰动件;如果在两个弯头之间再加上一个半月牙平滑板,就定义为高级扰动件。
美国西南研究院(SWRI)和天然气研究院(GRI),利用高压、大口径、环道计量研究装置(MRF HPL),对孔板流量计(p值从0.4、0.6、0.67到0.75)、超声波流量计和涡轮流量计,在不同的压力下(常压下的空气、10kg／cm2、16kg/cm2、25kg/cm2、40kg／cm2和52kg／cm2的天然气),配置不同长度的前后直管段(分别为17D、29D、45D或75D、100D),配置不同型式的整流器(19管束式整流器、Stuart C-3管束整流器、NOVA-#50E板式整流器和Gallagher#21板带1／2D长度19管束组合式整流器)以及开度50％的阀门等多种工况下,对流量计计量准确度的影响偏差的测试。做了大量的实验,汇总并累计了多组数据曲线,为修改AGA3#报告和AGA9#报告提供了有力的理论基础和实验数据。
在欧洲,利用德国Pigsa的天然气实流检定装置和德国国家物理研究院(PTB)研制的多普勒流形测试仪,德国国家物理研究院(PTB)组织在供气站现场,按照OIML的建议,进行了流形、流态测试试验和对流量计计量准确度的影响试验。动态测量天然气管道中,弯头、扩径管和不开满的阀门对流形破坏的影响情况,利用计算机三维成像技术,绘制出管线内部的真实流形、流态。实流测试在低压和高压状态下,对各种流量计计量准确度的影响,为配置前后直管段的长度和选择整流器的型式提供了理论依据。
各国的计量专家在商业上是相互竞争的对手,在技术上又是相互合作的伙伴。德国PTB在主任多普哈根教授的倡导下,组织了多国天然气的量值传递比对,并提出了“天然气一标准立方米”的新理念。作为天然气贸易计量的标准量值,互为确认,本文认为中国的天然气计量专家应该与时俱进,向国际并轨。
3 天然气贸易中流态对于计量准确度影响
天然气贸易交接计量站,是油气田的生产公司向天然气管道公司输送和交接天然气的重要站场。天然气管道公司将天然气输送到各分输支线、各城市门站、大型的燃气发电厂、铝厂、化工厂等,也需要向这些各支线运销商交接天然气而建立计量站。计量站的交接数据用于财务结算,它的计量准确度直接影响各自的经济效益。计量站一般地都是设计在调压橇前面(也有的设计在调压橇后面;甚至没有汇管,把流量计直接串接在不开满的调节阀前、后的。我们认为这并不优化,会存在许多问题),工艺上一般是设计在过、滤/分离器上出口。例如一个输气量每年5亿标准立方米的站,其运行压力在6～7MPa、温度为16℃,这样的站供气管线选为DN250,一般流速控制在10m/s～15m/s。进入计量橇,典型的工艺设计是经过汇管(口径约为DN700),再分成二条DN200的支线,最大流速一般不超过25m/s;每条支线上安装阀门、流量汁、前后直管段、整流器、压力和温度变送器、在线分析小屋和在线标定进出口等设备,最后经汇管外输绐F游用户。从管线工艺设计来分析,这种管线情况远要比国际法制计量组织(OIML)建议的低级和高级扰动件复杂得多。为开展天然气管道扰动研究,德国国家物理研究院(PTB)制造了一套移动式激光多普勒测速仪(LDV),设计压力为Class600#(约10MPa)。
这里天然气管道运行压力为4.2MPa,入口配置是如OIML建议的双弯头,其雷诺数Re大约是在6×105-4×106。在测得大量的高压大然气扰动分析数据和常压空气管道扰动分析数据的基础上,再与CFD(Computational Fluid Dynamics)计算流体动力学语言相互结合起来。比照理论公式计算的结果,综合在统一坐标系上进行比对,给人们一个清楚的认识。
(1)轴向动量数Ku
在一个5D长度的直管段上配置两个不在同一面上的双弯头(弯头半径为1.5D),经扩径后,在5D长的直管段上测最轴向勘壤,发现流体到管壁最近的位置,其管道流体动量最大,以此动量高度表示平滑的轴向速度流形。当流体充分发展后,管道流体有一个定量的轴向动量Kuo,经测试和计算Kuo=0.62。实际t我们感兴趣的是扰动流和非扰动流之间的差值,。
(2)旋涡量Kw
測试情况与上图相同,其旋涡量就是管道流体受到弯头的影响,流体向右旋转或者向左旋转,在管道内形成的旋涡流在这里我们定义向右边旋转为正,向左边旋转为负。这次实验,由于弯头的方向决定了是向左旋转,旋涡量是负的。
4 天然气管流态整流技术分析
为了开展天然气管道中的弯头．不开满阀门对管道流的扰动,如何使用直管段和整流器克服小对称流、旋涡流、脉助流的扰动影响等研究,我们通过建立一套定性的实验装置来进行研究。这套实验装设的主要设备是,利用鼓风机产生气源(气体介质是空气),经气体滤波器过滤后再经管线引出,用调压器调整风机转速来改变气体介质在管道流动的雷诺数,然后流经两个(或以上)90°弯头,形成扰动流。当扰动流经过透明管时,可以观察到细绒线剧烈扭摆,其扭摆的方问和幅度跟弯头的安装形式和数量有关,当透明管管前面安装整流器后．细绒线在管内平稳地沿风向伸展,无扭摆现象．因此可判定整流器消除了整流器上游的旋涡或横向气流等,将紊流调整成为平稳、均衡的气流,达到理想的整流效果。
我们开展下面的实验:
(1)实验时阻流件采用在同一平向内两个90°弯头呈“S”型配置,其间距S=Di,弯头出口加一段3Di直管段。
(2)实验时阻流件采用两个不在同一平面的两个90°弯头,s=Di,弯头出口加一段3Di直管段。
通过实验比较发现,流体整流器起到消除测量管前面阻流件对流态的干扰,使得流形充分发展,成为无扰动流,从而保证了流量计的计量准确性。
5 结语
各种不同原理的流量计,其计量准确度受到不对称流、旋涡流和脉动流的影响也是不同的;设计工程师应该依据相关标准,例如超声流量计应遵循AGA9#报告,涡轮流量计应遵循ENl2261标准,孔板等差压式流域计应遵循AGA3#报告和GB／T6143国家标准,配置相应的直管段和不同型号的整流器。为方便工程师设计．建议如下:
(1)智能多声道超声波流量计。应配置前20D直管段,后5D的直管段,且直管段内壁与流量计内径同心同圆,内壁光洁度应达到Ra3.2。在前直管段IOD处插入夹装式厚板多孔整流器,最好是消噪声或降噪声型式的,才能保证流量计量准确度优于0.5％。
(2)涡轮流量计。涡轮流最计是一种由管道流驱动转子转动获得被测截面流速的机械仪表,应用中影响其测量准确度的问题是脉动流和旋涡流,按照欧洲标准应安装三层板式14孔整流器,其位置在整流器出口和涡轮流量计入口处歪少保证4D的距离;如果在流量计前有没开满的阀门,应该将直管段增加到18D,在5D前加19管泵式整流器。
(3)孔板差差式流量计。孔板差压式流量汁已具有200多年的应用经验,对流量计前的阻流件的结构如单个弯头、两个不在同一一平面上弯头、单个三通或者其它形式的管件和管路分布,依据不同的β值规定了前、后直管段的长度和19管束式整流器的安装位置,设计师直接查阅GB／T6164即可明了。
参考文献
[1] Gabriel Moniz Pereira;Bodo Mickan;Rainer Kramer;Dietrich Dopheide:“PRELIMINARY INVESTIGATION OF FLOW CONDITIONING IN PIPES”,Department of Fluid Mechanics．Physikalisch—Technische Bundesanstah,Braunschweig,Germany Ernst von Lavante,Institute of Turbo machinery,University of Essen．Essen,Germany,2002.
[2] 熊光德,黄和,杨文川.流动调整器对气体流量计量的影响[J].天然气与石油,2009,27(4).
[3] 刘正先,孟庆国,梁永超.气体涡轮流量计的改进及实验测量[J].流体机械,2003,31(5).
[4] 葛利俊,张涛,叶佳敏,等.列状多孔整流器在水平浮子流量计中的应用[J].机械工程学报,2008,42(2).
关键词:天然气计量流态分析整流技术
中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0052-02
1 引言
我国现有用于天然气贸易交接的计量站两百多个,其中包括天然气管线的计量分输站,各省、市的城市门站以及供给各类用户的计量站等。这些计量站的计量仪表设计中,大量地采用了超声波流量计、涡轮流量计、孔板流量计和涡街流量计等。而这类仪表的计量准确度都较大程度地与被测介质的流形流态有关。尤其是超声波流量计,不仅受流体的流形流态的影响,还会因传播到超声波探头的噪声干扰而使精度明显降低。过去,依据相关标准,采用了加前、后直管段的方法来改善安装条件,取得了一些效果,少数现场在前直管段之前还加装了性能较好的流体整流器,但由于种种原因,仍没有根本解决问题。例如,某省天然气管网的城市门站,超声波流量计上游安装10D直管段和一台板式多孔整流器,买卖双方因输气量计量不准多次查找原因,后来发现是由于安装时将整流器偏向一侧,造成气体介质流形不对称,从而导致仪表计量信号严重失真;将现场管线拆卸开来,用专用工具重新进行对中、安装,使流形达到对称,才满足了流量计的使用条件要求。
天然气计量数据是财务结算的凭证,所以计量准确度直接影响到买卖双方的经济利益。如何保证它的科学、公正和公平呢?本文认为,天然气的计量是一系统问题,不是简单的安装一块流量计量表的问题。依据JJGl059—1999《测量不确定度评定与表示》,天然气计量应解决好两个问题:第一,是天然气流量测量系统的仪表选型,包括流量计量表、压力变送器、温度变送器和组份分析仪等,依据GB／T18604的要求,这些设备可以通过建立数学模型来评定;第二,是安装条件要求,因为每种不同原理的仪表各有其独特性能,安装在管线上的动力设备、过滤设备、汇管等对近处的计量仪表都会产生影响。例如,管道的设计安装和运行过程中,采用压缩机增压,汇管、弯头、三通等阻流件分流,未全开阀门调压等。因此对管道内输送的流体介质的流形和流态将产生严重扰动,主要表现在产生不对称流、横向流、旋涡流等等。它们都会随机地影响测量不确定度。本文从理论上对流形和流态的产生进行分析,并进而给出一种解决的技术和方案。
2 国际天然气计量发展动态
世界上天然气工业比较发达的北美洲、欧洲和亚洲,以及我国周边的俄国、印度等国家,近年来建设了大量的高压、大口径的天然气管网,销售量每年约几万亿立方米。由于天然气价格的飞速上涨,人们更加认识到计量准确度的重要性。在天然气计量中最为困难的问题,就是在测量过程中,由于设计和安装天然气计量系统时造成的不对称流、旋涡流对计量准确度的影响。国际法制计量组织(OIML)为了推动天然气管道的扰动研究,定义了两种扰动件:在DNl50的管道中,两个不在同一平面的900弯头,在两个弯头的前面配制一个由DNl50扩径到DN200的扩径管,就称其为低级扰动件;如果在两个弯头之间再加上一个半月牙平滑板,就定义为高级扰动件。
美国西南研究院(SWRI)和天然气研究院(GRI),利用高压、大口径、环道计量研究装置(MRF HPL),对孔板流量计(p值从0.4、0.6、0.67到0.75)、超声波流量计和涡轮流量计,在不同的压力下(常压下的空气、10kg／cm2、16kg/cm2、25kg/cm2、40kg／cm2和52kg／cm2的天然气),配置不同长度的前后直管段(分别为17D、29D、45D或75D、100D),配置不同型式的整流器(19管束式整流器、Stuart C-3管束整流器、NOVA-#50E板式整流器和Gallagher#21板带1／2D长度19管束组合式整流器)以及开度50％的阀门等多种工况下,对流量计计量准确度的影响偏差的测试。做了大量的实验,汇总并累计了多组数据曲线,为修改AGA3#报告和AGA9#报告提供了有力的理论基础和实验数据。
在欧洲,利用德国Pigsa的天然气实流检定装置和德国国家物理研究院(PTB)研制的多普勒流形测试仪,德国国家物理研究院(PTB)组织在供气站现场,按照OIML的建议,进行了流形、流态测试试验和对流量计计量准确度的影响试验。动态测量天然气管道中,弯头、扩径管和不开满的阀门对流形破坏的影响情况,利用计算机三维成像技术,绘制出管线内部的真实流形、流态。实流测试在低压和高压状态下,对各种流量计计量准确度的影响,为配置前后直管段的长度和选择整流器的型式提供了理论依据。
各国的计量专家在商业上是相互竞争的对手,在技术上又是相互合作的伙伴。德国PTB在主任多普哈根教授的倡导下,组织了多国天然气的量值传递比对,并提出了“天然气一标准立方米”的新理念。作为天然气贸易计量的标准量值,互为确认,本文认为中国的天然气计量专家应该与时俱进,向国际并轨。
3 天然气贸易中流态对于计量准确度影响
天然气贸易交接计量站,是油气田的生产公司向天然气管道公司输送和交接天然气的重要站场。天然气管道公司将天然气输送到各分输支线、各城市门站、大型的燃气发电厂、铝厂、化工厂等,也需要向这些各支线运销商交接天然气而建立计量站。计量站的交接数据用于财务结算,它的计量准确度直接影响各自的经济效益。计量站一般地都是设计在调压橇前面(也有的设计在调压橇后面;甚至没有汇管,把流量计直接串接在不开满的调节阀前、后的。我们认为这并不优化,会存在许多问题),工艺上一般是设计在过、滤/分离器上出口。例如一个输气量每年5亿标准立方米的站,其运行压力在6～7MPa、温度为16℃,这样的站供气管线选为DN250,一般流速控制在10m/s～15m/s。进入计量橇,典型的工艺设计是经过汇管(口径约为DN700),再分成二条DN200的支线,最大流速一般不超过25m/s;每条支线上安装阀门、流量汁、前后直管段、整流器、压力和温度变送器、在线分析小屋和在线标定进出口等设备,最后经汇管外输绐F游用户。从管线工艺设计来分析,这种管线情况远要比国际法制计量组织(OIML)建议的低级和高级扰动件复杂得多。为开展天然气管道扰动研究,德国国家物理研究院(PTB)制造了一套移动式激光多普勒测速仪(LDV),设计压力为Class600#(约10MPa)。
这里天然气管道运行压力为4.2MPa,入口配置是如OIML建议的双弯头,其雷诺数Re大约是在6×105-4×106。在测得大量的高压大然气扰动分析数据和常压空气管道扰动分析数据的基础上,再与CFD(Computational Fluid Dynamics)计算流体动力学语言相互结合起来。比照理论公式计算的结果,综合在统一坐标系上进行比对,给人们一个清楚的认识。
(1)轴向动量数Ku
在一个5D长度的直管段上配置两个不在同一面上的双弯头(弯头半径为1.5D),经扩径后,在5D长的直管段上测最轴向勘壤,发现流体到管壁最近的位置,其管道流体动量最大,以此动量高度表示平滑的轴向速度流形。当流体充分发展后,管道流体有一个定量的轴向动量Kuo,经测试和计算Kuo=0.62。实际t我们感兴趣的是扰动流和非扰动流之间的差值,。
(2)旋涡量Kw
測试情况与上图相同,其旋涡量就是管道流体受到弯头的影响,流体向右旋转或者向左旋转,在管道内形成的旋涡流在这里我们定义向右边旋转为正,向左边旋转为负。这次实验,由于弯头的方向决定了是向左旋转,旋涡量是负的。
4 天然气管流态整流技术分析
为了开展天然气管道中的弯头．不开满阀门对管道流的扰动,如何使用直管段和整流器克服小对称流、旋涡流、脉助流的扰动影响等研究,我们通过建立一套定性的实验装置来进行研究。这套实验装设的主要设备是,利用鼓风机产生气源(气体介质是空气),经气体滤波器过滤后再经管线引出,用调压器调整风机转速来改变气体介质在管道流动的雷诺数,然后流经两个(或以上)90°弯头,形成扰动流。当扰动流经过透明管时,可以观察到细绒线剧烈扭摆,其扭摆的方问和幅度跟弯头的安装形式和数量有关,当透明管管前面安装整流器后．细绒线在管内平稳地沿风向伸展,无扭摆现象．因此可判定整流器消除了整流器上游的旋涡或横向气流等,将紊流调整成为平稳、均衡的气流,达到理想的整流效果。
我们开展下面的实验:
(1)实验时阻流件采用在同一平向内两个90°弯头呈“S”型配置,其间距S=Di,弯头出口加一段3Di直管段。
(2)实验时阻流件采用两个不在同一平面的两个90°弯头,s=Di,弯头出口加一段3Di直管段。
通过实验比较发现,流体整流器起到消除测量管前面阻流件对流态的干扰,使得流形充分发展,成为无扰动流,从而保证了流量计的计量准确性。
5 结语
各种不同原理的流量计,其计量准确度受到不对称流、旋涡流和脉动流的影响也是不同的;设计工程师应该依据相关标准,例如超声流量计应遵循AGA9#报告,涡轮流量计应遵循ENl2261标准,孔板等差压式流域计应遵循AGA3#报告和GB／T6143国家标准,配置相应的直管段和不同型号的整流器。为方便工程师设计．建议如下:
(1)智能多声道超声波流量计。应配置前20D直管段,后5D的直管段,且直管段内壁与流量计内径同心同圆,内壁光洁度应达到Ra3.2。在前直管段IOD处插入夹装式厚板多孔整流器,最好是消噪声或降噪声型式的,才能保证流量计量准确度优于0.5％。
(2)涡轮流量计。涡轮流最计是一种由管道流驱动转子转动获得被测截面流速的机械仪表,应用中影响其测量准确度的问题是脉动流和旋涡流,按照欧洲标准应安装三层板式14孔整流器,其位置在整流器出口和涡轮流量计入口处歪少保证4D的距离;如果在流量计前有没开满的阀门,应该将直管段增加到18D,在5D前加19管泵式整流器。
(3)孔板差差式流量计。孔板差压式流量汁已具有200多年的应用经验,对流量计前的阻流件的结构如单个弯头、两个不在同一一平面上弯头、单个三通或者其它形式的管件和管路分布,依据不同的β值规定了前、后直管段的长度和19管束式整流器的安装位置,设计师直接查阅GB／T6164即可明了。
参考文献
[1] Gabriel Moniz Pereira;Bodo Mickan;Rainer Kramer;Dietrich Dopheide:“PRELIMINARY INVESTIGATION OF FLOW CONDITIONING IN PIPES”,Department of Fluid Mechanics．Physikalisch—Technische Bundesanstah,Braunschweig,Germany Ernst von Lavante,Institute of Turbo machinery,University of Essen．Essen,Germany,2002.
[2] 熊光德,黄和,杨文川.流动调整器对气体流量计量的影响[J].天然气与石油,2009,27(4).
[3] 刘正先,孟庆国,梁永超.气体涡轮流量计的改进及实验测量[J].流体机械,2003,31(5).
[4] 葛利俊,张涛,叶佳敏,等.列状多孔整流器在水平浮子流量计中的应用[J].机械工程学报,2008,42(2).