孔板流量计应用探析

王术明

(大港油田采油一厂，天津 300280)

0 引言

由油井计量分离器分离出的天然气由于分离不净含有油污,属脏污介质；计量分离器常有气路跑油现象,造成管线内积液；天然气流量不稳定，并随时间周期性地大幅度变化，属脉动流体。上述特点给天然气计量仪表的设计选型、使用维护及准确计量带来较大困难。目前，在油田单井、分队、自用气及外输气交接计量中应用孔板流量计较多，影响孔板流量计计量准确的因素很多，笔者现就影响孔板流量计计量准确的因素，从孔板流量计的工作原理、孔板的管理及孔板安装使用条件等方面结合实际情况加以分析。

1 孔板流量计工作原理

孔板流量计是根据安装在管道中的孔板产生的差压，已知流体条件和孔板与管道的几何尺寸来测量流量。它由孔板、差压变送器和流量显示仪组成。当流体流经设置在管道中的节流件(孔板)时，流束将在节流件处形成局部收缩，此时流速增大，静压降低，在孔板前后产生差压；流量愈大，差压愈大，因而可根据差压来衡量流量的大小。这种测量方法以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础。天然气标准体积流量计算公式如下:

(1)

式中：Qn为标准状态下天然气体积流量，m3/s；Ag为计量系数，视差压、静压采用计量单位而定；C为流出系数；E为渐进速度系数；d为孔板开孔直径，mm；FG为相对密度系数；ε为可膨胀性系数；FZ为超压缩因子；FT为流动温度系数；p1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压，MPa；Δp为气流流经孔板时产生的差压，Pa。

2 孔板流量计仪表特点

由于节流装置具有结构简单，安装方便，工作可靠，有一定的准确度，能满足一般工程测量和贸易计量的需要；且具有长期的使用历史，有丰富可靠的实验数据，设计加工已经标准化，只要按标准设计、加工、安装、检验和使用，无需进行实测标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量，这也是它得以如此广泛使用的原因，据了解，国内有80%以上的天然气计量系统采用这种计量方法。

3 影响孔板流量计准确计量的因素

通过现场多年使用和维护孔板流量计，发现仪表在运行中普遍存在以下几个问题：

1)采用传统孔板流量计测量存在测量范围窄(最大为1:3.5)、测量精度低以及在气体流量波动范围大时需更换不同的孔板元件等缺点。

2)在秋冬春三个季节，由于天然气中含水、原油及一些颗粒杂质，容易使差压计导压管路发生堵塞或阻塞现象，造成差压计不能准确地反映节流装置产生的真实差压信号。

3)由于天然气气液分离效果不好，在导压管路中及差压计的正负压力室产生积水、积油等现象，使差压计产生液位附加误差造成计量不准。

4)孔板流量计内的孔板需定期检查、清洗和检测几何尺寸,而天然气计量条件差,加之管理不够,很难定期检修,致使许多计量站上的孔板流量计安装后长期失去管理。其结果是造成很大浪费又没有真正解决实际问题。

5)对天然气来说，当介质压力温度变化时，其体积也随之改变，从而使仪表显示随温度压力的变化而产生误差。

6)尽管孔板流量计安装规范一般都能够掌握，但有些细节往往没有引起重视，导致较大的计量误差，安装误差如果不及时解决，会成为一个无法进行完全定性分析的潜在误差源。安装误差具有普遍性，如: a.受场地限制，实际安装无法满足设计所需的前后直管段长度，引起误差；b.实际安装管道与设计要求不符，主要原因是施工人员领料时领用相近规格的材料，造成安装误差；c.密封垫片内孔未按环室尺寸加工，垫片伸出环室，干扰流体稳定流动；d.导压管走向不合理，差压无法顺利传导。

上述6种情况是使孔板流量计难以作到准确计量天然气的主要原因。

4 提高孔板量计计量精度的措施

标准孔板节流装置天然气流量的计算公式是以通过孔板的气流为单相、稳定流动的基础上推导出来的，当测量的气流条件达不到规定要求时，便不能获得可靠的测量值。对于气流脉动、气质中含水及含杂质的油田单井天然气计量，目前尚未找到一种方法来确定或预测一个修正系数以便弥补这种误差。通过上述讨论可知，要想提高双波纹管差压式流量计的计量精度,必须抑制气流波动、消除气质中的水分及杂质，使气流条件达到规定的要求，并减少环境及人为因素对仪表的影响。通过长时间的试验与应用，证明以下几种方法可以提高孔板流量计计量精度。

1)孔板节流装置的设计安装应严格按照SY/T 6143—1996标准规定的各项技术指标，特别在安装时，要根据孔板前阻力件形式配接足够长度的直管段，一般应至少前30D。

2)合理选取测量点。a.进入双波纹管差压式流量计的气体必须先通过气液分离器、过滤器；b.把测量管装在对消除脉动来说较为有利的位置，例如装在调压阀的入口侧或远离脉动源。

3)为了减少脉动幅度，可在脉动源和测量管之间的管线上加装一个容器(具有一定容积)或者设计专门的脉动衰减器。把节流阀或限流器装在脉动源和测量管之间是减少脉动的最有效方法，但是这种方法如果压力降过大，会提高油井回压，对油井正常生产有不利影响，就不宜采用。

4)在差压仍保持较高的操作前提下，可用较小的测量管，而孔板开孔直径基本不变。

5)在节流装置前、后取压管出口处分别加装一个具有一定容积的气液分离器，使进入流量计的差、静压信号达到先气液分离及缓冲后再进入流量计。

6)导压管路上的上、下游导压阀应选用大通径的球型阀。

7)选用一体化、高精度、宽量比的新型智能孔板流量计，使用维护更加方便。

8)为了防止导压管的冻堵，必须对导压管路进行保温，并增加加热补偿保温措施。

9)对于因下游波动源而引起计量点气流脉动的情况，可通过调整节流装置下游侧阀门的阀位(关小)，使计量点气流脉动幅度减小。试验证明，采用关小计量管下游阀的方法来控制气流的脉动，效果是十分明显的。

10)在单井天然气计量应用时由于压力、温度变化会引起计量误差，可采用具有压力、温度自动补偿和压缩因子修正功能的智能型流量计，提高计量精度。

11)必须对导压管路、孔板装置进行定期排污清洗工作，确保导压管畅通。

12)采用直径比β值较小的孔板。在多路计量装置中，使每一支路在尽可能高的差压下操作。

5 孔板流量计发展与展望

从以上对孔板流量计在油田天然气计量应用情况的分析中可以看出，孔板流量计存在许多不尽人意的缺点，用于油田天然气计量困难和问题较多，受各种因素影响综合计量精度不是很高，但孔板流量计作为一种计量器具，它有悠久的历史，经过无数专家、学者的潜心研究和完善，它的设计、计算、加工、安装、使用、维护等环节都具备了完备的标准和规范。目前还没有任何一种流量计可以和它“相提并论”。 孔板流量计作为一种经典流量计量器具，是由若干个独立单元组合在一起的，它们之间配置合理与否，安装是否规范都会直接影响孔板的测量精度，因此研制一体化孔板流量计产品，简化结构，减少运行维护量，提高性价比，是未来前景很广阔的项目，它的型式和参数是随着测试技术的发展而不断优化的，与传统孔板流量计相比，当今孔板流量计发展趋势是一体化、高精度、宽量比的新型智能流量计，拥有补偿功能完善的流量计算机，具有强大的功能软件，同时设有RS485计算机通信接口，可与DCS连接通信，对维护检修提供了方便，这些都为孔板流量计更好地应用提供了可靠的技术保证。

6 结束语

总之，提高孔板流量计计量精度是一项系统工程，要从技术、管理、监督等多方面着手，应作为企业计量部门基础管理工作的重点来抓。只有深人研究、多管齐下、措施到位，才能真正有效地提高计量精度，使企业的经济效益和管理水平同时达到一个新的高度。

[1] 王术明.油田注水和天然气单井计量仪表.计量技术，2001(12):28-30

[2] 张树华.标准孔板流量测量现场实施方案及流量计算机系统基本技术要求.计量技术,2006(5):49-52

[3] 卢晓刚，高玉格，张红兵.孔板流量计存在问题的探讨.计量技术,2005(8):60-62

[4] 冯欣.孔板在石化工业应用中的常见问题.石油化工自动化,2004(3):63-67

[5] 王术明，等.单井天然气常用流量计性能特点及应用.石油知识,2009(5):30-31

[6] 王东，郭淑梅，白岩，单新宇.差压式孔板流量计的误差来源与控制对策.天然气工业,2004，24(10):132-135