孔板流量计整流器设计与实用效益分析

郑 超赵 漾罗 洋郑 榕薛小红杜 浪杨 鉴蒋佩忱

（1.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油 621709；2.四川页岩气勘探开发有限责任公司，四川 成都 610051；3.中国石油西南油气田公司技术咨询中心，四川 成都 610051）

0 引言

天然气作为清洁能源，其需求量随着社会的发展逐年增大，与之相应的是对天然气计量的准确度要求精益求精。目前，天然气计量广泛使用标准孔板流量计。其原理是以流体进入孔板前、后所形成的压差为基础，通过理想流态下的经验公式结合数学模型进行计算，得出具体数值［1-3］。实际使用过程中管内流态是否能满足相应要求是计量准确度的关键［4-5］。通过前人研究表明，影响流量计准确度的因素较多，特别是气体流态对计量准确度的影响。如孙万章［6］认为影响孔板流量计测量精度的根本因素是节流装置的几何形态和流动状态是否偏离设计标准；杨晶华［7］认为流体流态与孔板前积水是引起计量误差的主要原因；王川红［8］认为计量管段粗糙度的增加会增加系统误差。现阶段我国所使用的整流器为固定式结构，但其存在较多缺陷［9-14］，因此提出一种可在线维护的体积流量计整流器的设计思路，其使用、维护方便，无需繁琐的工艺流程，使操作人员的劳动强度及作业风险得以降低，工作效率提高的同时还可节约生产成本。目前，该设计已申报国家发明专利并获得授权（专利号：ZL 2018 10599861.4）。

1 固定式整流器缺陷分析

整流器为气体平整装置，安装于标准孔板流量计的前端，其作用是将天然气的流态从紊流变为平流，从而使后端标准孔板流量计的计量更加准确［15-18］。目前所使用的整流器均为固定式结构［19-20］（图1）。

图1 固定式整流器实物图

整流器在工作过程中，由于气流所携带的杂质会使管内堆积污垢，引起管束内部堵塞或半堵塞，易形成紊流，使整流效果变差［21］。通过对现有固定式整流器结构及使用效果分析，主要存在以下不足：①维护、清洗时必须要实施关井、放空、置换等一系列流程倒换及停产断气等操作，工作程序繁琐，不但影响气井的正常生产，还影响对下游天然气用户的正常供气；②整流器作为计量装置的一部分，与计量准确度密切相关，若长时间不清洗，会降低整流效果，使紊流加重，影响计量的准确性，对企业经济效益造成直接影响；③若在拆卸、更换的过程中遇到有毒或高压气流，可能会对操作人员的人身安全造成威胁。

2 新型整流器设计思路与特点

2.1 工作原理

设计改进以分体式阀腔为基础，通过滑板阀的阻隔将其分为上、下两个阀腔，并在工作中利用齿轮轴逐层传递的方式将整流管（板）从下阀腔移至上阀腔。通过放空阀平衡上阀腔与外界压力，安全取出整流管（板）。在对其清洗、维护后用相同方式将其安装归位。

2.2 结构设计

根据国家标准（GB／T 21446-2008）规定，标准孔板流量计整流器分为两种：一种为管束式，即整流管；另一种为孔板式，即整流板。两者均为固定式安装模式。新型整流器在固定式整流器结构的基础上，以国家标准为依据，利用阀腔阻隔结构，结合齿轮传动原理进行设计，使其满足对管束式及孔板式的使用需求（图2）。

装置整体为上、下双阀腔式，外部通过阀体固定螺丝使其相连，阀腔内部通过滑阀的移动上、下阻隔。整流管（板）安放于下阀腔下部，两端与输气管道相接，内部可使气流平稳流通。整流管（板）两端外侧设有齿轮槽，下阀腔底部为排污槽，排污槽顺气流方向的一侧安装有排污阀。下阀腔上部两端安装有齿轮轴，其转动时可带动整流管（板）上下移动。上阀腔底部为滑阀，中部两端设计有与下阀腔相同的齿轮轴，其作用是接替下阀腔齿轮对整流管（板）的作用，上阀腔顶部设计有压板、顶板以及顶丝，作用为密封及固定整流器顶部。腔体两侧安装有辅助设计，如下阀腔与上阀腔连接处设有平衡阀及注脂口，上阀腔顶部侧面设置有放空阀。

图2 可在线维护标准孔板流量计整流器设计图

2.3 使用方法

装置工作前，首先对密封性进行检查，保证其处于安全工作状态。工作时主要包括整流管（板）平稳提升、整流管（板）安全取出以及整流管（板）安装归位三个部分。整流管（板）平稳提升：打开平衡阀，使上阀腔与下阀腔连通，从而平衡上阀腔与下阀腔内的压力。其次，打开滑板阀，驱动下阀腔齿轮轴，将整流管（板）从下阀腔移至上阀腔，接着关闭滑板阀，关闭平衡阀。整流管（板）安全取出：打开放空阀，上阀体通过放空通孔与外界大气连通，使上阀腔与外界的压力平衡。打开顶丝，取出顶板、压板。驱动上阀腔齿轮轴，将整流管（板）从上阀腔取出。整流管（板）安装归位：将整流管（板）放入上阀腔，驱动上阀腔齿轮轴，将整流管（板）下放上阀腔底部为止。盖好压板、顶板，安装顶丝，关闭放空阀。打开平衡阀，使上阀腔与下阀腔内的压力平衡。打开滑板阀，驱动下阀腔齿轮轴，将整流管（板）从上阀腔移至下阀腔。关闭滑板阀，关闭平衡阀。打开放空阀，将上阀腔气体放空，确保上阀腔内部压力平稳，最后关闭放空阀。

2.4 性能特点

设计发明的新型整流器的优势主要在于提取、安装整流管的过程中无需截断流体或置换流体管路，实现在线维护整流器。此外，设计驱动装置使整流管在上下阀腔内穿梭时，可实现整流管两端同步升降，使整流器安装与拆卸快捷、简便。整个维护过程可避免高压流体给现场操作人员带来伤害，同时也解决了清洗、更换整流器时需要停产的问题。

通过上阀腔齿轮轴、滑板阀、下阀腔齿轮轴的配合就可移动管腔内的整流管（板），取出与安装归位的整个过程简单、平稳、快捷，实现了在线维护整流器，减少天然气或有毒有害气体与操作人员的接触，消除了潜在的危险。

3 新型整流器与固定式整流器实用性对比

新型整流器较传统固定式整流器在清洗时间、清洗方式、作业方式、计量准确度影响以及操作的安全性方面具有更好的效果，提高工作效率的同时，对作业期间的安全性也有了明显保障（表1）。同时，根据相关管理规定，计量设备需在半年内清洗、维护，但受实际生产条件的限制，难以达到管理规定要求，新型整流器设计的提出，可有效解决无法按期清洗维护的问题。

4 经济效益分析

固定式整流器从停产断气开始完成一套清洗流程一般需要约4 h，根据要求每半年需清洗一次。清洗过程中无法持续生产，会影响天然气销售量以及用户用气。以单井日产量为30×104m3计算，天然气出厂价按1.548元／m3（含税及管输费）计算，清洗一次影响天然气销售量约为5×104m3，损失销售额达7.74万元，全年合计则为15.48万元。若按照油气田全年生产天然气量为300×108m3计算，由于清洗影响全年天然气销售量达2 700×104m3，损失销售额约为4 000万元。

表1 新型整流器与固定式整流器优缺点对比表

对于低压低产积液气井，年度产气量约为5×108m3，一旦气井关井将有可能不能复产，需要气举增压机等措施辅助复产，预计年度因实施复产措施而减产的天然气产量约为500×104m3，损失的价值约为770万元。若采用新型整流器，预计可有效解决上述两项问题，减少企业经济效益损失。

5 结论

1）通过查阅整流器相关资料，发现并总结了目前国内现有固定式整流器的缺点与不足。

2）经过对现有固定式整流器设计的优化，原创性地设计了一种可在线维护的体积流量计整流器。克服了传统整流器拆装工艺繁琐、作业风险高等不足，在实现可在线清洗、维护的同时提高了现场作业的安全性。

3）目前，设计的新型整流器已获得国家发明专利授权。虽然所设计的装置暂未在气田现场进行实际应用，但目前已通过国家石油天然气大流量计量站成都分站的检测，表明该设计符合国家规定的使用标准，后期将会结合现场实际应用效果进一步优化。