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天然气流量的计算机计量算法研究

2014/11/13 17:45:43  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  天然气流量虽属气体流量范畴,但天然气的组分比较复杂,影响计量的因素较多。要想提高计量系统的精度和自动化程度,就必须采用符合流量计量理论 的科学方法。瞬时流量是流体工况(温度、差压、静压和组分等)的函数,而工况参数是瞬变的,以瞬时参数计算并累计流量才是符合流量计量理论的科学方法。为 实现这个目的,就须采用计算机计量系统。由于计算机计量系统采集到了智能变送器的实时信号,这就避免了繁琐而复杂的温度、压力、差压补偿的问题,从而在数 学模型上提高了系统精度,同时还可以采用更复杂而更精确的数学模型。应用计算机还可实现数据显示、数据存储、报表打印和报警等功能,极大地减轻人员的劳动 强度,通过计算机联网,可以实时测控天然气输气管道的数据,实现安全生产,使管理层可根据现场生产状况进行快速决策。辽河油田在国内首次实现天然气计量的 计算机集成系统。

  1 天然气流量计量的数学模型

  (1)标准孔板计量方法的测量原理

  天然气流经节流装置时,流束在孔板处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力降低,在孔板前后产生静压力差(差压),气流的流速越大,孔板前后产 生的差压也越大,从而可通过测量差压来衡量天然气流过节流装置的流量大小。这种测量流量的方法是以能量守恒定律和流动连续性方程为基础的。

  中国石油天然气行业标准SY/T 6143—1996推荐了天然气标准体积流量的实用公式:

  式中 Qn———标准状态下天然气体积流量,m3/s;

  AS———秒计量系数,此式中

  AS=3·1794×10-6

  C———流出系数;

  E———渐进速度系数;

  d———孔板开孔直径,mm;

  FG———相对密度系数;

  ε———可膨胀系数;

  FZ———超压缩因子;

  FT———流动温度系数;

  P1———孔板上游侧取压孔气流绝对静压,MPa;

  Δp———气流流经孔板时产生的差压,Pa。

  其中天然气超压缩因子FZ是天然气特性偏离理想气体定律而导出的修正系数定义为:

  式中 Zn———天然气在标准状态下的压缩因子;

  Z1———天然气在流动状态下的压缩因子。

  (2)国际标准压缩因子Z1

  SY/T 6143———1996给出的Z1表达式只适用于:当天然气以甲烷为主加上乙烷和少量重烃,且真实相对密度小于或等于0·75,氮气和二氧化碳气的摩尔分 数不超过0·15时;而且该Z1数学模型不很精确。在实际应用中,因为油田开采出的天然气的组分十分复杂,又由于标准体积流量与压缩因子Z1的平方根的倒 数成正比,所以Z1精度的提高对流量的精确计量有重大意义。国际标准ISO12213-2:1997《天然气压缩因子的计算》专门对压缩因子Z1的算法做 了描述。在四川石油管理局天然气研究院承担制定中国国家标准《天然气压缩因子的计算》送审稿中,其技术内容也与ISO 12213-2:1997完全一致。Z1的算法如下所示:

  式中 B———第二维利系数;

  bn、cn、kn———常数;

  ρm———摩尔密度(单位体积的摩尔数);

  ρr———对比密度;

  C*n———温度和组成的函数的系数。

  摩尔密度ρm与对比密度ρr相关,两者的关系由下式给出:

  ρr=K3ρm

  ρm=P/(Z1RT)

  式中 K———混合物体积参数;

  P———绝对压力;

  R———摩尔气体常数;

  T———热力学温度。

  在压缩因子Z1的表达式方程中,Z1和摩尔密度ρm都是未知数。

  (3)天然气含水补偿

  天然气的组分复杂,在某些地域油井开采出的天然气含水量比较大,甚至在天然气输气管道内有液态游离水,即水蒸气达饱和状态。为了精确计量,就必须对天然气流量进行含水的补偿。参照日本国家标准,我们给标准体积流量Qn乘上含水因子Fw进行补偿,Fw定义如下:

  Fw=(Pf-ΦΡsmax)/Pf

  式中 Pf———实测的绝对压力值,MPa;Φ———天然气管线内的相对湿度;Ρsmax———相应露点温度下的饱和水蒸汽压,MPa。

  由于测量含水的仪表给出的是相应温度下绝对湿度的体积比值Vj,所以要将该体积比值转换为相对湿度Φ。根据中国国家标准GB11605-89 《湿度测量方法》中冷凝露点法测量原理:用等压冷却的方法使被测气体中的水蒸气开始出现露或霜,测量此时的温度,即为该气体的露点。根据该方法提供的相对 湿度、绝对湿度、体积比计算式得到相对湿度Φ和体积比Vj的关系式

  Φ=P0·P0·Vj/[Pf·Ec·( Vj+106)]

  式中 P0———取样期间的大气压值,MPa;Pf———实际的绝对压力值,MPa;Ec———气样在相应温度下的饱和水蒸气压值,MPa;Vj———实测的绝对湿度转换为体积比的值,10-6。

  (4)流出系数C的修正

  节流装置在长期使用中,会遭受天然气冲刷、腐蚀。经调查表明,特别是对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲刷腐蚀尤为严重,这将影响到孔板直角入 口边缘圆弧半径Rk和测量管内壁相对粗糙度K/D的规定标准,流出系数C将发生变化,流量测量不确定度超出估计数。为了避免这种超差,推荐更换孔板和测量 管。但可能因某种原因,须继续使用该节流装置,那就必须对流出系数C修正才能保证流量的精确计量。修正方法为:将原流出系数C乘上孔板尖锐度系数bk(由 Rk确定)或粗糙度系数 Re(由K/D确定),或同时乘这两个系数(若两项均出现偏离)。

  2 天然气流量实时计算模块的编制

  考虑到瞬时流量计算只是整个计量系统的一个子模块,所以我们用Visual Basic5·0在Windows95/Windows NT4·0平台下,把它编制成带属性窗口页的动态链接库(.dll)文件,以供其它主程序调用。用计算机进行瞬时流量计算的关键是保证精度的实时性。

  保证精度的措施是:(1)全部采用双精度浮点数进行运算;(2)对于需用查表法得到的参数均采用差分法,二维表用线形差分,三维表用二次差分; (3)在实际应用中,标准孔板的型号各异,导致孔板和测量管内径、材料变化,孔板测量方法有角接取压和法兰取压两种,天然气的组分要根据化验结果定期更 正,当地大气压随时间变化,以及孔板和测量管遭磨损的程度参数,所有这些参数均可通过瞬时流量计算动态链接库的属性窗口,方便地完成设置。

    在瞬时流量计算的实时性方面,流量Qn和压缩因子Z1的计算表达式都是超越方程,即一个方程中有两个未知数,这就需要采用迭代法。为了达到快速收敛目的, 我们采用割线法选代。割线法的初值的设定将直接影响迭代次数。由于天然气主要以甲烷为主,所以经多次尝试,可求出最佳的初始值。在大多数情况下,只需迭代 3~5次就收敛并得出符合精度的结果。尽管如此,由于压缩因子Z1的数值运算极其复杂,计算一次,Pentium 200的CPU尚需耗时600ms,显然这有违实时性。为此,我们重新优化组合了压缩因子的运算法,压缩因子Z1是天然气各组成成分的百分比与瞬时参数 (温度和绝对静压)的函数,可以把温度和绝对静压从Z1的方程中分离出来,利用预先设定的天然气各组分的百分比求出Z1只与温度和绝对静压相关的系数,并 把这些系数作为静态参数存盘为数据文件。在实际计算时,只需数据文件取入内存,结合实时采集的动态参数,就能得到天然气管线内的瞬时流量值。经测试,使用 优化后的算法,计算流量(包括压缩因子Z1在内)一次只耗Pen-tium 200的CPU机时40ms,这就保证集散控制系统中的工控机能在1s内完成采集和计算20个计量站点的工作。为了防止意外的不收敛情况,我们强制迭代次 数超过10次便退出循环,以避免死机,同时也能保证实时性,本次意外则有流量累计模块进行处理。

  3 结论

  在辽河油田天然气计量计算机集成系统中,由于采用了以上所述的先进而完善的天然气流量数学模型和独特的算法,保证了天然气计量的高精度和实时性,经过几个月的投入使用,证明是可靠的。

  本文作者:刘智勇 蒋耘晨 齐秋群

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