天然氣計量有關(guān)公式剖析

第27卷第6期鉆采工藝開(kāi)采工藝天然氣計量有關(guān)公式剖析鐘水清'2 ,馬發(fā)明'3熊繼有李福德2郭俊2(1西南石油學(xué)院2四川石油管理局 3中國石油西南油氣分公司)摘要:隨著(zhù)石油天然氣企業(yè)經(jīng)濟體制改革的深化經(jīng)營(yíng)機制的轉換以及西部大開(kāi)發(fā)使天然氣的應用越來(lái)越廣泛如何發(fā)揮每一立方米天然氣的最佳經(jīng)濟效益緩解供需矛盾這對天然氣計量工作提出了更高的要求。文中介紹了歐洲、美國燃料市場(chǎng)應用孔板流量計的設計、安裝、維修和分析處理方法,以及我國天然氣計量系統的誤差評定等，以供天然氣計量時(shí)參考。關(guān)鍵詞:天然氣計量;孔板流量計;體積流量;測量;分析中圖分類(lèi)號: TE313.8文獻標識碼: A文章編號: 1006- 768X( 2004 )06- 0055 -05進(jìn)入21世紀以來(lái)隨著(zhù)全球經(jīng)濟-體化的飛速等多因素的影響。因此,這種計量方式不可能充分發(fā)展,天然氣的需求與質(zhì)量成為企業(yè)在市場(chǎng)競爭中體現天然氣按質(zhì)論價(jià)、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的商品交易原則不取勝的關(guān)鍵,質(zhì)量管理成為企業(yè)管理的核心內容。利于科學(xué)地、合理地利用有限的天然氣資源對供需天然氣作為優(yōu)質(zhì)、清潔的能源在國民經(jīng)濟建設和人雙方都不合理。當今世界上許多國家都已采用能量民生活中起著(zhù)舉足輕重的作用,而作為能源的天然計量作為貿易計量的結算方式。能量計量體現了天氣人們主要關(guān)注的是它的熱值,即能量(發(fā)熱量)然氣測量的質(zhì)量和數量更科學(xué)更先進(jìn)更能反映天天然氣流量是天然氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)、集輸處理和內外供然氣的內在價(jià)值。天然氣是- -種動(dòng)態(tài)的間接的多參氣的主要參數是油氣田勘探開(kāi)發(fā)、科研、生產(chǎn)和經(jīng)數的綜合計量。這種計量在整個(gè)計量領(lǐng)域中難度是營(yíng)分析論證的重要依據。在制定或調整天然氣開(kāi)發(fā)最大的影響因素最多。比如,目前所使用的孔板流方案、經(jīng)營(yíng)管理分析和經(jīng)濟結算等方面制定或調整量就需要測量差壓、壓力、溫度、組分、密度、節流裝都是主要依據在企業(yè)內部的經(jīng)營(yíng)管理、計算和考核置的幾何尺寸等參數在計量過(guò)程中還要受天然氣各類(lèi)設備的經(jīng)濟技術(shù)指標制定或調整遠景規劃及流動(dòng)狀態(tài)的影響。天然氣計量只要有一個(gè)環(huán)節出了年度計劃等方面也是不可缺少的數據。因此，天然問(wèn)題最后的結果就難以保證其準確性。為了更科氣流量是一個(gè)極其重要的參數天然氣流量的測定:學(xué)地進(jìn)行天然氣貿易計量，合理地、科學(xué)地利用有限是油氣田一項極為重要的基礎技術(shù)工作。由此可的天然氣資源我國也應當盡快實(shí)施天然氣能量計見(jiàn),計量是監視天然氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)、集輸處理和供氣全量,以維護供需雙方的合法利益。本文就天然氣計過(guò)程的眼睛”是做好各項工作的技術(shù)保證,計量與量的有關(guān)公式進(jìn)行剖析?？蒲猩a(chǎn)和企業(yè)的經(jīng)濟效益緊密相聯(lián)。因此，實(shí)現天然氣計量的有關(guān)公式天然氣計量的準確性是對計量工作的基本要求。由于歷史的原因我國的天然氣貿易計量目前仍采用長(cháng)期以來(lái)我國天然氣貿易計量均采用體積計體積計量方式,即以立方米為結算單位。眾所周知，量方式 即一段時(shí)間內天然氣流過(guò)某一管道截面的天然氣是一種看不見(jiàn)摸不著(zhù)只能感覺(jué)得到的物質(zhì)。體積量(單位為m3》用于天然氣體積流量測量的天然氣是-種混合物氣體除烷烴以外還含有部分流 量計有孔板流量計、超聲流量計、渦輪流量計、腰二氧化碳和氮氣等不可燃燒的物質(zhì),即不產(chǎn)生熱值;輪流 量計、旋渦流量計和皮膜流量計等。由于孔板同時(shí)天然氣的體積計量要受壓縮因子、溫度、壓力流量計用于天然氣流量測量已有相當長(cháng)的歷史取收稿日期: 2004-11-02基金項目:本文系國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目(編號90210022部分成果及西南石油學(xué)院基金項目(院236部分成果。作者簡(jiǎn)介:鐘水清高級工程師。畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣井工程專(zhuān)業(yè)從事油氣井工程的技術(shù)研究與管理工作。地址( 610051 )四川省56.鉆采工藝2004年得了較豐富的經(jīng)驗制定了較完善的標準經(jīng)大量研如果按下列術(shù)語(yǔ)定義,我們就可以討論ISO公究表明,只要嚴格按規定進(jìn)行設計、制造、檢驗、安式中每項因子的實(shí)際意義。裝孔板流量計的基本誤差可控制在土1.0%左右;gm為質(zhì)量流量,kg/s2;Qa為規定或基準條件正因為如此，目前孔板流量計應用最為廣泛特別是下的體積流量m? ;孔板節流裝置配電動(dòng)儀表和流量計算機的自動(dòng)計量a ,a' 為流量系數特定流量系數a=a。F.rpobr ;系統已廣泛用于天然氣貿易計量。c為給定孔板直徑的排出系數,a/E ;1.天然氣能量計量( rd2 )4為孔板開(kāi)孔面積,m2 ;E為速度的漸近天然氣能量計量方式在許多發(fā)達國家已普遍采修正系數;用。我國目前采用體積流量計量方式,用公式表示ε為流速膨脹系數;F, 為雷諾數系數;為:0p為孔板前后壓差,N/m2 ir為粗造度系數;Q= V,x H(1)ρ1為在上游取壓口處的氣體密度kg/m3 bk為式中:Q-某時(shí)間段內天然氣總能量MJ或GJ;孔板銳利度系數。V,- -同時(shí)間段內天然氣標準狀態(tài)下的體積量,引用上述定義則IS0公式為:m' ;gm= ae( rd2 )C( 20pp1)^]H-天然氣的單位發(fā)熱量,MJ/m'。= CEe( πd2 )/4( 20pp1 y](2)從原理.上講,天然氣能量就是天然氣流量和天Bu1= gm/Pi或grb= gm/Pb然氣單位發(fā)熱量的乘積流量可以是體積流量也可a'為流量系數。這是一個(gè)通過(guò)不同的標準方法以是質(zhì)量流量還可以是能量流量。目前,國際上普遍使用的天然氣能量計量裝置試驗得出來(lái)的數值。這些方法使我們可以運用預先主要由體積流量或質(zhì)量流量及氣分析設備構成。而標定的系數而不用對每單個(gè)計量管和孔板進(jìn)行標直接式的能量流量計尚在研制之中,尚未投入工業(yè)定。為計量準確要求對每一個(gè)設計、制造、安裝和應用。體積流量測量可用前述的任-種流量計;天維護都要滿(mǎn)足標準的規定要求。否則,要 確定流量然氣發(fā)熱量的測量則有直接法和間接法(計算法)兩系數就必須對計量管進(jìn)行標定。種方法。直接法對設備、環(huán)境要求較高操作復雜，E為流速膨脹系數。它對氣體流經(jīng)孔板時(shí)的密但測量原理更為合理,它基本排除了水分影響能直度變化進(jìn)行修正并且根據氣體差靜壓之比和等熵觀(guān)地反映天然氣實(shí)際發(fā)熱量;間接法主要是由氣相指數進(jìn)行計算。色譜儀分析出天然氣組分然后計算天然氣發(fā)熱量,(πd2 )4為孔板開(kāi)孔面積。通過(guò)檢驗就可以而氣相色譜儀又有在線(xiàn)式和離線(xiàn)式兩種?？闯鼍_地確定孔板直徑的重要性,因為它以平方函數值出現在流量公式中。2.天然氣計量的有關(guān)公式來(lái)源關(guān)于天然氣計量公式有兩個(gè)來(lái)源，無(wú)論是在歐Dp為孔板前后壓差。這是在確定精密測量中洲還是在美國的燃料氣市場(chǎng),該公式都占有很重要的關(guān)鍵性的測量變量,而且在應用前面相應的流量的地位。大部分的歐洲市場(chǎng)遵循國際標準組織系數時(shí)必須做到取壓正確。它是以平方根代入方(ISO)作為他們的天然氣計量的基礎然而美國和部程式的所以對于精密測量的結果將取決于其數值分歐洲國家又是以美國氣體協(xié)會(huì )氣體測量委員會(huì )的的大小。.“天然氣的孔板計量報告之三”作為他們的計量基ρ1為在.上游取壓口處的氣體密度。多數情況礎。下這個(gè)數值并不是以直接測量而是通過(guò)壓力、溫如果兩種標準都用相同的設備和修正系數則度、相對密度和可壓縮性的測量推導而得到的。在得出的答案將是相同的,因為他們都是以基本的水任何情況下所用的數值務(wù)必表示氣體在.上游測壓力學(xué)公式為基礎而且都是以同樣的實(shí)驗做法確定處的狀態(tài)條件。在該取壓處,由于該區域內氣體分其法蘭取壓和管式取壓的系數,而管式取壓方式只布的敏感性要直接測量這個(gè)參數是很困難的。在有在美國的氣體流量計量時(shí)才用到它。事實(shí)上,在一般情況下在其他地方進(jìn)行測量和對已確認的數美國不用法蘭取壓的公司是極少數的。然而,從技值加以修正考慮是同樣可以做到的。而且還可以用術(shù)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)任何取壓裝置其公式和修正系數都數學(xué)的方法對于不同的地方加以修正。第27卷第6期鉆采工藝57.本條件下應用波義爾( Boyles )及查理( Charls )氣體定F,=1+ E/[ 12835dk( hupryA](4)律而定義確定其密度。它基本上是一個(gè)基準狀態(tài)條式中對于法蘭取壓:件下的數學(xué)計算方法。在歐洲, -般都是用的一個(gè)E= d[ 830 - 5000β - 9000β2 - 4000β3 + 530/標準但也有例外。然而在美國基準條件下只占其( D)4](5)合同協(xié)議中的一部分并且公司之間又都是一樣經(jīng)K是雷諾數R,約為10時(shí)的理想常數值。常是按可以變化的情況進(jìn)行處理。這里所假設的目的是雷諾數事先不知道和無(wú)法C為給定孔板直徑排出系數。確定的兩種情況下,允許流體修正系數的迭代更快E為速度的漸近修正系數。該修正系數是指同更簡(jiǎn)單。樣尺寸孔板不同計量管徑對流線(xiàn)變化的修正。Y為膨脹系數。與在ISO公式中的ε膨脹系數C和E都是按標準進(jìn)行審定的,并且和a一樣相同。具有相同的限制。Fu為壓力基準系數;用于任何基準壓力與為對比起見(jiàn)我們就美國氣體協(xié)會(huì )氣體測量委14.73 psi 不同時(shí)的修正?？捎上率?jīng)Q定:員會(huì )的報告之三討論如下。Fpb= 14.73/合同需要的基準壓力( psi) (6)其基本計算公式如下:F。為溫度基準系數。用于任何基準溫度60°FQn= F.F.YFIpFFjFFpFm.F.F(hwPpY2 (3)不同時(shí)的修正?？捎上率?jīng)Q定:式中:Qn-在基準條件下流體的流量,fP/h( 1ft3=Fib= 520/實(shí)際流動(dòng)溫度(列氏度R)(7)0.0283 m3 );Fg為相對密度系數。用于任何相對密度與Fg-相對密度系數;Fo-基本孔板系數;1.00不同時(shí)的修正。它是在相同條件下，該氣體重Fpo-超壓性系數;F,-雷諾數系數;度與空氣重度的比。就這個(gè)系數本身而言會(huì )有一些Fm- -壓力計系數;Y-膨脹系數;差異,因而相對密度的基本定義是氣體分子量之比Fa- -孔板熱膨脹系數;Fpb- -壓力基準系數 ;而只有在氣體重度的壓縮性考慮按大氣壓力為零的F。-儀表位置系數F,-溫度基準系數;壓縮性修正值這兩個(gè)比值才會(huì )相等。在實(shí)際的應ho- -在60F下,i( 水柱I lin=25.4 mm ;I°F=用中當其與標準發(fā)生變化的時(shí)候應考慮這方面修5/9C ,下同)正的要求。F,-流動(dòng)溫度系數ip-靜壓pis( lpis= 6. 895F為超壓性系數。這是對于真實(shí)氣體偏高于kPa下同)。理想氣體定律的修正。通常情況下由表格查取,而通過(guò)對每個(gè)系數的討論我們就能看出他們與這個(gè)表格是由實(shí)驗確定或通過(guò)復雜公式計算出來(lái)ISO標準之間的關(guān)系。的。Qn= Qrg為按合同換算為基準條件下的氣體體Fm為壓力計系數,它并不需要對基本流動(dòng)方程積流量。的結果進(jìn)行修正,，但對于壓力計式的差壓儀表要加F,為基本孔板系數。在給定計量管中流動(dòng)溫以修正。如果使用的是機械式的差壓儀表而不是壓度為60°F基準溫度為60°F基準壓力為14.73 psi，力計式的差壓儀表時(shí) 這個(gè)修正系數可不予以修正相對密度為1.00( hupr)?為無(wú)窮大,hw/pr比值為而取為1 .00。零時(shí)，通過(guò)已知孔板的空氣立方英尺數( 1f2 =F。為儀表位置系數。事實(shí)上是海平面45°緯度0.0283 m3 )在簡(jiǎn)化條件計算孔板面積求解孔板直上考 慮地心引力而用的一個(gè)基準系 數在其他地方,徑(inI lin=25.4 mm,下同]時(shí)其單位可以用水柱該系數會(huì )略有變化。(in),psi ,1b/s(1 lb=0.454 kg) ,及包括在雷諾數為Fa為孔板熱膨脹系數。事實(shí)上是對于溫度變無(wú)窮大及速度漸近系數在內的流出系數( K)在孔化較大的情況下在20°確定的孔板直徑會(huì )略有變化板直徑?jīng)]有改變之前對于某一計量裝置允許這些時(shí)的修正。數值作為固定不變的常數代入則對于所假設的條h為孔板前后的壓差,in( 水柱),與ISO公式相件和實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)的變化進(jìn)行修正時(shí),Fo 是固定不同。變的。p為在孔板指定取壓處氣體的靜壓。在歐洲采鉆采工藝2004年在精密測量中無(wú)論運用哪一個(gè)取壓口都是等效的，8Q。但是在美國，使用者們選擇的是下游取壓因為這種Q,-+().()+(21)(曾)取壓其壓力值的任何誤差都可以通過(guò)用雷諾數修正的近似相對誤差予以局部的補償。當使用密度計(二八部”+ (到)+(會(huì ))與重量流量測量時(shí)美國氣體協(xié)會(huì )的計算公式可以化簡(jiǎn)為:+4(部)+年(部)+()門(mén)W.= 1.0618FBF,X( harYn(8)依據中華人民共和國國家標準SY/T6143 -或用于體積測量時(shí)美國氣體協(xié)會(huì )的計算公式1996標準可知:可以化簡(jiǎn)為:式中:0為流出系數不確定度,當β≤+0.6時(shí)，為Qn= I3.873FfFYFnFu hur y2.(9)+0.6% ,當β>0.6時(shí)為士β% ;3.天然氣計量系統誤差評定(1 )已定系統誤差。在天然氣流量的實(shí)際測量o為可膨脹系數不確定度其值為+4%由中部分系統誤差在測量過(guò)程中可以得到有效控制，北京安控科技發(fā)展 有限公司RIU流量計算機及氣還可以在測量結果中修正。(如ECHO5000 SCADA體流量實(shí)時(shí)計算( OP、P為同一單位);監控與數據采集系統,為油氣田地面建設自動(dòng)化工程提供了獨特而開(kāi)放的平臺。該系統采用了目前國o為測量?jì)葟降牟淮_定度其值為+0.4% ;際上最新的軟、硬件技術(shù)結合國內油氣田生產(chǎn)工藝od為孔板開(kāi)孔直徑的不確定度,其值為士的特點(diǎn)而研制開(kāi)發(fā)的監控系統如計量回路校準可將計量回路的系統誤差控制在允許范圍內并可確0.07% ;定其誤差。O為天然氣相對密度測量的不確定度取值土(2床定系統誤差。對未定系統誤差常常要求以不確定度大小來(lái)評價(jià)測量結果(若輸氣干線(xiàn)配備0.5% ;有ECHO5000 SCADA監控與數據采集系統可由E- .為天然氣壓縮因子測量的不確定度,取值CH05000 SCADA監控與數據采集系統修正)按照土0.5% ;中華人民共和國國家標準《測量誤差及數據處理技術(shù)規范》JC1027- 91要求及國際慣例間接測定量......為孔板開(kāi)孔直徑比測量管內徑,由于的合成不確定度采用方和根方式合成,而合成不確金屬材料在現場(chǎng)常用操作溫度中(-10至+40定度及其各分量均應用標準差形式來(lái)表征依據中之間線(xiàn)膨脹系數變化甚微對孔板開(kāi)孔直徑的誤差華人民共和國國家標準SY/T6143- 1996標準可知,可忽略不計,在此情況下(據催曉燕等人應用計算),測量流量的不確定度相當于標準偏差的兩倍。因使用d≈d2o即可滿(mǎn)足計算精度要求。此求得了流量測量的不確定度就可以得到測量系結束語(yǔ)統的標準偏差。天然氣流量的測量是-個(gè)間接測量值對于未定系統誤差,可以根據天然氣流量計算公孔板流量計是實(shí)際意義上的質(zhì)量流量計,作為式對其進(jìn)行函數誤差合成。依據中華人民共和國國體積流量計使用時(shí)已是- -種間接方式的流量計。渦家標準《天然氣流量的標準孔板計量方法》SY/T6143輪、渦街、漩渦、腰輪等流量計均是體積流量計。由- 1996標準天然氣標準體積流量公式為:于天然氣體積計量是我國目前的貿易計量結算方式。要用孔板流量計來(lái)精確測量天然氣氣流,那么Qn=匹好Y 2App(天然氣標準體積，pe4dPn就必須全面掌握和提供適當的計算公式和各種可變流量基本公式)( 10)因素的影響。如果對計量系統沒(méi)有一個(gè)全面的了Qn= A,CEd FeEFr√P|Ap(根據基本公式導出解花錢(qián)是得不到好的測量結果的。我們希望通過(guò)的實(shí)用公式)(11)對計量公式的剖析,有助于達到領(lǐng)會(huì )體積計量公式根據誤差理論中的函數誤差合成理論(假設C、的重要性。面對新形勢的挑戰建議中國石油天然ε、d、Ap彼此無(wú)關(guān)):氣總公司應加強新型計量?jì)x表及設備性能評價(jià)研第27卷第6期鉆采工藝59.化二次計量?jì)x表校準方法研究:國際及國外先進(jìn)計量、密度和相對密謀的計算方法S] ,1989.量標準跟蹤研究。建立現代企業(yè)標準計量制度，實(shí)[8]中國統計年鑒.000.施國際化運作提高經(jīng)濟效益為中國石油天然氣事[9] [美氣體加工和供應者協(xié)會(huì ).氣體加工工程數學(xué)手冊[ M ].北京石油工業(yè)出版社,1992.業(yè)的發(fā)展做出貢獻。[10]王俊奇.天然氣含水計量的簡(jiǎn)單方法[J].石油與天然參考文獻氣化工1994(3).[1]陳賡良.天然氣能量計量的有關(guān)法制問(wèn)題J]天然氣[11 ] Attani Aetal. Natural gas energy measurement. 1987 479.[ 12] ISO/CD15112. Natural gas - Energy determination 2000.工業(yè)20032(1).[ 13] IS0/CD15971- 1. Natural gas - Measurement of properties[2]孫延祚.國際流量計量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢[J]天然Combustion properties Part 1 : Caloifie value 2000.氣工業(yè)2003 2( 1).[ 14 ] Studzinski W ,Kamik U ,Morow Te t al. Revision of ANSI -[3] 諸林等.天然氣含水量的公式化計算方法[ J]天然氣2530 orifice Meter Standard - Basis of Recommmended Meter工業(yè)2003231).Run Length. The 4th Intermational Symposium on Fluid Flow[4]姜篤志等.西氣東輸管道設計輸氣量預測J].天然氣Measurement ,Dolorado ,USA ,27~ 30 June 1999 ,section 14工業(yè)2003 2(4).(5).[5]秦朝葵等.天然氣壓縮因子的計算與體積計量[ J]天[ 15] David Wiklund etal. Flowmeter Dynamic Response character-然氣工業(yè)2003 23(6).istics Part 2. Effect in Various Flow Applications Rosenount. [6] 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T6143- 1966 :Inc . Section9 ,The5 th ISFFM 7 ~ 10April ,2002 Arilington天然氣流量的標準孔板計量方法S]1996 22 ~ 23.VA ,USA..[7]中華人民共和國國家標準CB11062-89:天然氣發(fā)熱(編輯黃曉川)(上接第 54頁(yè))然后往地層中注入氮氣 待注入壓力穩進(jìn)行試驗。從表1可以看出無(wú)論直井還是水平井,定后開(kāi)始從油管內注入蒸汽根據最佳注入氮氣比氮氣輔助蒸汽吞吐效果好于蒸汽吞吐效果。直井油例氮氣采用注12h停12 h的段塞方式注入。按汽比提高了0.91 ,回采水率提高0. 29 ;冰平井油汽設計注完蒸汽量后先停注蒸汽再注3~5h氮氣比提高了 0.46回采水率提高0.13。后進(jìn)行燜井和放噴。采用一趟管柱的,停噴后下放結論抽油桿柱生產(chǎn)。采用光油管的則下泵生產(chǎn)。( 1 )氮氣輔助吞吐是對稠油蒸汽吞吐技術(shù)的改現場(chǎng)應用效果進(jìn)和完善是提高蒸汽吞吐改善油田開(kāi)發(fā)效果的有該工藝在面120-1-平6和面120-1-121井力措施。表1氮氣輔助蒸汽吞吐 與蒸汽吞吐生產(chǎn)效果對比表注汽量注氮量周期產(chǎn)液周期產(chǎn)油回采水率有效期井號油汽比/Nm'/m’/t/%'d面120-1-平6196962000208715630.271870.79面120-1-平(2)36860174112040.142040.33小計- 1717+ 345+ 359-0.13- 17+0.46面120-1-121( 2)10185047018613930.461821.37面120-1- 121( 1)2257142210320.17140- 1239+ 441+ 361+0.29+ 42+0.91(2 )該工藝具有簡(jiǎn)化井下管柱結構降低蒸汽注[2] 李士倫張卿冉新權等.注氣提高石油采收率技術(shù)入量。提高周期產(chǎn)油量和回采水率的特點(diǎn)。[ M]四川科學(xué)技術(shù)出版社.[11張銳等稠油執采技術(shù)M1北京石油工業(yè)出版社