科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在乙烷氣體貿(mào)易交接中的應(yīng)用研究

上海上自儀公司為了提高天然氣附加值，各油氣田紛紛采用深冷方式從天然氣中分離出乙烷氣體作為產(chǎn)品銷售。但乙烷氣體的組分、密度與常規(guī)的天然氣存在較大差異，致使貿(mào)易交接計(jì)量沒(méi)有可參照的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了提高乙烷氣體計(jì)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)選擇正確的測(cè)量方法，通過(guò)比較常用氣體流量計(jì)的測(cè)量原理，分析了壓縮因子計(jì)算的準(zhǔn)確度對(duì)氣體體積測(cè)量準(zhǔn)確度的影響程度，非常終推薦采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行乙烷氣體交接計(jì)量；同時(shí)結(jié)合質(zhì)量流量計(jì)的工作原理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的檢定、安裝和使用等環(huán)節(jié)提出合理化建議，以便為更多天然氣附加產(chǎn)品的交接計(jì)量提供技術(shù)支撐。

乙烷與液化氣、穩(wěn)定輕烴和穩(wěn)定凝析油等原料相比，具有更高的乙烯轉(zhuǎn)換率，是優(yōu)質(zhì)的乙烯原料。近年來(lái)各油田公司通過(guò)對(duì)油氣田產(chǎn)出的天然氣進(jìn)行增壓深冷將乙烷氣體分離后輸送到煉化企業(yè)，作為乙烯生產(chǎn)的原料，提高天然氣的附加價(jià)值。作為交接產(chǎn)品的管輸乙烷氣體其組分、密度與管輸天然氣存在較大差異。目前天然氣交接計(jì)量過(guò)程中執(zhí)行國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不適用于乙烷氣體，需要探討適合乙烷氣體交接計(jì)量的測(cè)量方法，以確保乙烷氣體交接計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、公平、公正。

1 常用天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算方法

目前國(guó)際上天然氣貿(mào)易交接普遍采用超聲、渦輪、旋進(jìn)旋渦、孔板等計(jì)量?jī)x表。其中超聲、渦 輪、旋進(jìn)旋渦等計(jì)量?jī)x表直接測(cè)量均為氣體的工況體積量，然后通過(guò)氣體方程公式 （1） 對(duì)工況體積量Vg進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，非常終換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積量Vn進(jìn)行交接[1]。

式中：Vn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，Nm3；pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，0.101 325 Pa；Tn 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度（293.15），K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；Vg為工作狀態(tài)下的體積，m3；pg為工作狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，Pa；Tg 為工作狀態(tài)下的絕對(duì)溫度 （273.15+ t），K；t為被測(cè)介質(zhì)攝氏溫度，℃；Zg為工作狀態(tài)下的壓縮因子。GB/T 21446—2008[2]《用標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量天然氣》中測(cè)量天然氣的質(zhì)量流量 qm 計(jì)算方法如公式 （2）和公式（3） 所示：式中： qm 為天然氣的質(zhì)量流量，kg；C 為流出系數(shù)，與節(jié)流裝置的幾何尺寸和雷諾數(shù)相關(guān)；β 為直徑比，孔板開(kāi)孔直徑與上游測(cè)量管內(nèi)徑之比；ε為可膨脹系數(shù)，對(duì)于給定的計(jì)量裝置該值取決于流體靜壓、孔板前后差壓和等熵指數(shù)；d為孔板開(kāi)孔直徑，m；Δp為孔板前后斷面差壓，Pa，可以采用差壓變送器準(zhǔn)確測(cè)量；ρ1為介質(zhì)工作狀態(tài)下的密度，kg/m3。由公式 （3） 計(jì)算得出：式中：M為干空氣的摩爾質(zhì)量，值為28.962 6 kg/kmol；G為天然氣真實(shí)相對(duì)密度；R為通用氣體常數(shù)，值為0.008314 51 MPa·m3/(kmol·K)；Za為干空氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子，值為0.999 63。

式 （1）（2）（3） 中 pn、Tn、M、Za、R、C、d、β等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、絕對(duì)溫度、通用氣體常數(shù)等常數(shù)或與流量計(jì)尺寸相關(guān)的常量，取值確定，不影響計(jì)量值的準(zhǔn)確度。而Vg、pg、Tg、Zn、Zg 等為變量，其 測(cè) 量 的準(zhǔn) 確 度 直 接 影 響 計(jì) 量 值 的 準(zhǔn) 確 度 。GB18603《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》 附錄 A對(duì)以上 變 量 的 準(zhǔn) 確 度提 出 明 確 的 要 求[3]。

表中溫度、壓力、工作條件下的體積流量均為直接測(cè)量參數(shù)，并且可以通過(guò)選用高精度的測(cè)量?jī)x表降低測(cè)量誤差。而氣體的壓縮因子是一個(gè)非直接測(cè)量量，其大小與氣體的組分、高位發(fā)熱量、相對(duì)密度、壓力和溫度等狀態(tài)參數(shù)相關(guān)。

2 壓縮因子對(duì)氣體標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算的影響

目前國(guó)際上推薦采用 AGA8-92DC 和 SGERG-88 方程計(jì)算工作狀態(tài)下天然氣壓縮因子。我國(guó)起草發(fā)布 《天然氣壓縮因子的計(jì)算》 GB/T 17747—2011 也采用以上兩種不同方法計(jì)算天然氣壓縮因子。國(guó)際上多數(shù)流量計(jì)生產(chǎn)廠家在流量計(jì)算機(jī)中置入以上兩種壓縮因子計(jì)算軟件。但是兩種壓縮因子計(jì)算方法對(duì)管輸天然氣的組成范圍有所限制，當(dāng)天然氣中乙烷含量超出 20% 后，計(jì)算的壓縮因子不確定度≥0.5%。通常管輸乙烷氣體中乙烷含量≥95%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出AGA8-92DC 和 SGERG-88 方程的適用范圍。壓縮因子計(jì)算的不確定度難以估算，直接影響交接計(jì)量量的不確定度[4-6]。

3 質(zhì)量流量計(jì)工作原理

由于乙烷氣體壓縮因子計(jì)算的不確定度難以估計(jì)，因此在流量計(jì)選型過(guò)程中應(yīng)該避開(kāi)壓縮因子計(jì)算過(guò)程，建議選擇科里奧利質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量乙烷氣體。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì) （簡(jiǎn)稱科氏力流量計(jì)） 是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。流量計(jì)由振動(dòng)管、電磁驅(qū)動(dòng)器和檢測(cè)器組成。振動(dòng)管 （測(cè)量管道） 是敏感器件，有 U 形、Ω 形、環(huán)形、直管形及螺旋形等幾種形狀，振動(dòng)管有單管、雙管和多管等形式，但基本原理相同[7]。

U形管式科氏力流量計(jì)的測(cè)量原理如圖1所示。 U 形管的兩個(gè)開(kāi)口端固定，流體由此流入和流出。 U形管頂端裝有電磁驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)U形管沿垂直于U形管所在平面的方向以O(shè)-O為軸按固有頻率振動(dòng)。U形管的振動(dòng)迫使管中流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨管道作垂直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體將受到科氏力的作用，同時(shí)流體以反作用力作用于U形管。流體在U形管兩側(cè)的流動(dòng)方向相反，所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反，從而使U形管受到一個(gè)力矩的作用，使得振動(dòng)管繞 R-R 軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過(guò)流量計(jì)的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。檢測(cè)器測(cè)得這個(gè)變形量，即可測(cè)得管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量。

科里奧利流量計(jì)可以將被檢測(cè)的流體質(zhì)量流量直接體現(xiàn)出來(lái)，質(zhì)量作為物質(zhì)本身的屬性其大小不隨溫度、壓力等參數(shù)改變而改變，計(jì)量數(shù)據(jù)可直接用于供需雙方交接計(jì)量。此外可以準(zhǔn)確測(cè)量氣體組分，采用 GB/T 11062—2014《天然氣 發(fā)熱量、密 度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》準(zhǔn)確計(jì)算乙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，進(jìn)而得到氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，甚至熱值流量。

4 存在的問(wèn)題及建議

4.1 檢定問(wèn)題

由于氣體實(shí)流檢定成本高，送檢周期長(zhǎng)，因此質(zhì)量流量計(jì)的用戶通常選擇采用液體 （水） 對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)。針對(duì)液體檢定的數(shù)據(jù)是否能夠真實(shí)反映氣體介質(zhì)運(yùn)行工況下的計(jì)量性能，在設(shè)備投用前分別采用水和天然氣兩種介質(zhì)對(duì)相同型號(hào)的2臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行了檢定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知：

（1） 同一臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)用于液體計(jì)量的準(zhǔn)確度要高于氣體計(jì)量的準(zhǔn)確度。其主要原因是氣體的密度要遠(yuǎn)低于液體密度，因此計(jì)量氣體時(shí)，瞬時(shí)流量通常低于流量計(jì)非常大量程的 1/3，超出計(jì)量?jī)x表的非常佳運(yùn)行范圍。

（2） 循環(huán)水標(biāo)定的數(shù)據(jù)如不超出流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)的要求，氣體校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)也能保持在測(cè)量氣體規(guī)定的準(zhǔn)確度等級(jí)范圍內(nèi)。建議計(jì)量乙烷氣體的質(zhì)量流量計(jì)在不具備實(shí)流檢定條件的情況下，可采用循環(huán)水進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)，但檢定和校準(zhǔn)的流量點(diǎn)應(yīng)接近實(shí)際運(yùn)行工況下的質(zhì)量流量，并按照液體計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。

4.2 消除安裝應(yīng)力

由于管道伸縮變形會(huì)造成應(yīng)力，使得傳感器零點(diǎn)發(fā)生變化，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因此質(zhì)量流量計(jì)在安裝過(guò)程應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 傳感器的安裝位置避開(kāi)由于溫度變化可能引起伸縮和變形較大的工藝管段。

（2） 傳感器安裝法蘭必須與管道法蘭同軸連接以減小安裝應(yīng)力，保證測(cè)量準(zhǔn)確度。

（3） 應(yīng)保證與傳感器上游、下游鏈接的管道有穩(wěn)固支撐物，支撐桿應(yīng)以傳感器為中心對(duì)稱分布，支撐桿與基礎(chǔ)牢固連接。傳感器安裝位置附近管道線上的閥門或泵都需要有其自己的支撐物，不與傳感器共用同一支撐物。

（4） 為消除安裝應(yīng)力，安裝傳感器時(shí)應(yīng)先配管，將工藝管線、閥門與傳感器整體預(yù)先安裝好并吊裝，再將其與工藝主管線焊接，焊接時(shí)應(yīng)使傳感器、閥門及工藝主管線處于同一鉛垂面內(nèi)[9]。

4.3 壓力補(bǔ)償

壓力影響定義為過(guò)程壓力偏離檢定/校準(zhǔn)壓力而引起的傳感器靈敏度的變化[10]。流體過(guò)程壓力增大會(huì)使測(cè)量振動(dòng)管呈繃緊現(xiàn)象，這種壓力效應(yīng)雖然影響量很小，但是當(dāng)使用時(shí)過(guò)程壓力與標(biāo)定壓力相差很大時(shí)，對(duì)于高精度質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響還是不容忽視的，尤其是對(duì)于管徑大、測(cè)量管壁厚小的質(zhì)量流量計(jì)影響更大。日常工作中的壓力補(bǔ)償方法有流量系數(shù)標(biāo)定法、靜態(tài)壓力補(bǔ)償法和動(dòng)態(tài)壓力補(bǔ)償法。具體方法可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工作，參照廠家的說(shuō)明書進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于運(yùn)行壓力相對(duì)穩(wěn)定的計(jì)量工藝，可采用靜態(tài)壓力補(bǔ)償法。根據(jù)廠家提供的流量計(jì)產(chǎn)品樣本，可以查閱到需要進(jìn)行靜態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)型號(hào)，并且分別找出壓力對(duì)流量和密度影響的系數(shù)，然后用 HART 手抄器或 ProLinkII 2.0 軟件寫入流量計(jì)。

4.4 避免雜質(zhì)聚集

測(cè)量管內(nèi)壁磨損腐蝕或沉積結(jié)垢會(huì)影響測(cè)量精度，對(duì)于計(jì)量介質(zhì)為氣體的質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)采用外殼朝上水平安裝、傾斜 45 °或垂直安裝傳感器 3種方式，如圖 2 所示，避免冷凝液聚積在傳感器振動(dòng)管內(nèi)。圖2 質(zhì)量流量計(jì)用氣體計(jì)量的安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of gas metering in the mass flowmeter

4.5 避免天然氣水合物

在一定壓力、溫度下，天然氣中的某些成分與水生成一種外形像冰的籠形化合物。氣體壓力的波動(dòng)、流速突變產(chǎn)生攪動(dòng)會(huì)加速水合物的形成，氣體的相對(duì)密度越大生成水合物的溫度范圍越寬?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)振動(dòng)管內(nèi)徑細(xì)小，在管路中屬于節(jié)流元件，對(duì)氣流有一定的擾動(dòng)，乙烷氣體相對(duì)密度較天然氣大，在計(jì)量裝置前后很容易形成水合物阻塞管路。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能減少計(jì)量線路中阻流件的設(shè)置，必要時(shí)需要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行保溫，避開(kāi)水合物形成的溫度及壓力范圍[11-16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

乙烷交接計(jì)量目前尚無(wú)可以遵循的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SYT 6659—2016《用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定適用的天然氣相對(duì)密度范圍為 0.554~0.870，商品乙烷氣體的相對(duì)密度超出了該范圍，被排除在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍外。但是該標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量轉(zhuǎn)換體積量的計(jì)算方法并不涉及壓縮因子的計(jì)算，從理論上講對(duì)氣體的真實(shí)相對(duì)密度不應(yīng)該有所限制。如果將該標(biāo)準(zhǔn)氣體的適用范圍擴(kuò)大，乙烷交接計(jì)量就有據(jù)可循了。乙烷氣體交接計(jì)量的測(cè)量方法不應(yīng)僅局限于質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量方法，上海上自儀公司可以進(jìn)一步探索乙烷氣體壓縮因子計(jì)算方法，對(duì) GB/T 17747 適用范圍進(jìn)行補(bǔ)充，從而為乙烷氣體交接計(jì)量器具選擇的多樣性提供技術(shù)支撐。