基于MATLAB天然气流量计检定工艺计算.pdf

4l 2 石 油 与 天 然 气化 工 CHE MI CAL E NGI NEERI NG OF OI L ＆ GAS 2 O 1 3 基于 MA T L A B天然气流量计检定工艺计算 赵孟卿 黄 坤 王劲松。 于 振 杨 涵 巨 龙 李灿 荣 1 ． 中国石 油集 团 东南亚管道 有 限公 司 2 ． 西 南石 油 大学石 油工程 学院 3 ． 西气 东输 南京计量 测试 中心 4 ． 中国石 油天然 气股份 有 限公 司浙江 油田分公 司 摘 要 随着我国中缅管道， 西气东输二、 三线和液化天然气上岸等新一轮输气管道工程的建 设 ， 用于计量天然气流量的流量计 日益增多。只有对这些流量计 实施 准确检 定才能确保流量计精 确工作 ， 从 而使得我 国天然 气交接 贸 易更加 公 平。 以天然 气流量计 检 定站三 级检 定为基 础 ， 考 虑输 气管道 沿线动 能 的增加 对流量 的影 响 ， 建 立天 然气在 检 定管路 中的 流动 压损模 型 ， 利 用 MATI A B 软件计算不同口径天然气流量计在检定中的参数 变化 ， 求解检 定过程的压差， 并对检定过程中的不 确定度进行计算， 符合我 国天然气调度的要求。 关键 词 MATL AB 流 量计检 定 不确 定度 中图分类 号 TE 8 6 3 ． 1 文献标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 1 9 Pr o c e s s c a l c u l a t i o n o f n a t u r a l g a s f l o w me t e r v e r i f i c a t i o n b a s e d o n M ATLAB Zh a o M e n g qi n g ，Hu a n g Ku n ，W a n g Ji ns o n g ，Yu Zh e n ，Ya n g Ha n ，J u Lo n g 。Li Ca nr o ng 1 ． S o u t h e a s t As i a Pi p e l i n e Co mp a n y， Be i j i n g 1 0 0 0 2 8， Ch i n a； 2 ．Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g C o l l e g e ． So u t hwe s t Pe t r o l e u m Uni v e r s i t y ， Ch e n gdu 6 1 05 0 0， Si c hu an， Chi na； 3 ．W e s t t 0 Ea s t Gas Pi p e l i n e C o mp a n y， Na n j i n gMe a s u r e me n t Te s t Ce n t e r， Na n j i n g 2 1 0 0 0 0， J i a n gs u ， Ch i n a 4 ．P e t r o C h i n a Z h e j i a n g O i z f i e l d C o mp a n y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 3 ， Z h e j i a n g， C h i n n Abs t r a c t W i t h a n e w r o un d o f ga s pi p e l i n e l i ne ”，“ t he s e c o nd a nd t hi r d l i ne o f W e s t Ea s t p r o j e c t c o n s t r u c t i o n s u c h a s “ Bu r ma Ch i n a p i p e n a t u r a l g a s t r a n s mi s s i o n p r o j e c t ”a n d“ l i q u e f i e d n a t u r a l g a s a s ho r e ”，t he f l o w m e t e r s f o r me a s ur i n g g a s f l ow a r e i nc r e a s i n g． Th e on l y wa y t o e n s u r e t he s e m e t e r s wo r k a c c ur a t e l y i s t O c a l i b r a t e t he s e m e t e r s pr e c i s e l y ，whi c h wi l l ma ke i t m o r e e qu i t a b l e f o r t h e t r a n s f e r o f n a t u r a l g a s t r a de ． I n t hi s p a p e r ，ba s i n g o n t h r e e l e ve l s o f ga s f l o w m e t e r v e r i f i c a t i o n s t a t i on，c on s i de r i ng t he i nf l u e n c e o f t he i n c r e a s e o f ki ne t i c e n e r g y a l o ng t he p i pe l i ne S o n f l ow ，t he p r e s s u r e l o s s m o de l i s e s t a bl i s he d wh e n n a t u r a l ga s f l ows i n t he ve r i f i e d p i p e，a n d t h e p a r a m e t e r s v a r i a t i o n i n di f f e r e nt c a l i b e r m e t e r s c a l i br a t i o n by M ATLAB s o f t wa r e a r e c a l c u l a t e d，t he n t h e p r e s s ur e di f f e r e nc e i s s o l v e d a nd t he un c e r t a i n t y i n c e r t i f i c a t i o n P r o c e s s i s c a l c ul a t e d，whi c h c o n f o r m s t o t he n a t u r a l ga s d i s pa t c h i ng r e q u e s t ． Ke y wo r ds M ATLAB，ve r i f i c a t i o n of f l o w me t e r，un c e r t a i n t y 天然 气 是 一 种 高 效 、 优 质 、 洁 净 的化 工 能 源 原 料 ， 在 能源结 构 中的 比例不 断上升 ， 在世 界各 国的消 耗量也在不断增加 。以我 国为例， 近年来每年约消 耗 l 0 0 0 1 0 。m。 天 然 气 ， 如 果 天 然 气 计 量 的误 差 为 0 ． 1 5 ， 那么 每年 由于计 量误 差损 失 的金额 可 达 到 4 0 0 0 万欧元 。而天然气流量计的计量特性和测 作者简介 NNN 1 9 8 7 一 ， 男 ， 硕士 ， 2 0 1 1年毕业于西南石油大学 油气储运工 程专业 ， 现在 中国石油东 南亚管道 公司工 作 。地址 1 0 0 0 2 8 g 京市朝阳区太 阳宫金星园 8号 A座 。E - ma i l z h a o me n g q i n g 1 2 6 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 4期 赵孟卿 等基于 MAT L AB天然气流量计 检定工艺计算 4 1 3 量 不确 定度 要通 过在 天然 气 流量计 检定 站 内进行 实 流测试和校准才能确定。伴随着大小型天然气流量 计检定站的相继建立 ， 天然气贸易交接计量工作 的 增 加 ， 天然 气流 量计 计 量 的准 确 性 愈 加成 为关 注 的 焦 点 ， 由此 针对 检定 、 校 准气 体流 量计 的检定 站 检定 工艺研 究 工作 也愈 发显 得重 要 。 1 天然气流量计检定工艺 随着 科 学 技术 的迅 速 发展 ， 世 界 上 很 多 发 达 国 家都相继建成了具有较高准确度水平的天然气流量 计检定站 ， 并设立了与之相匹配的天然气流量量值 传 递 和溯 源体 系 。天然气 流 量计 检定 站设有 工 作标 准 、 次 级标 准 ， 对 于 有 的大型 流量计 检 定站还 设 有原 级 标 准和 核查标 准 。通 过设 立三 级标 准装 置可 以实 现流量范围的逐级扩大 ， 达到量值溯源和传递 的需 要。原级标准的所有基本物理量都应溯源到相对的 国家基准 ， 天然气流量量值从原级标准传递 到次级 标准 ， 再由次级标准传递到工作标准 ， 最后再 由工作 标准 实现 对被 检流 量计 的检定 。 上游分输站来气 被检流量计 台位 国内最 大D N 4 0 0 流量调节 背压调 节 天然气过滤分离器 I 轮流量计 ] I [ 次级标准 丈丘里喷嘴 查标准I ．t - 4 压力调 定台甜 T 原级标 压 缩 回输 气支干线 图1 天然气流量计检定站工艺流程简图 Fig． 1 Pr oc e s s flo w diag r am of na t ur al g as fl o w met er v er ifi c at i o n s t a t ion 原级 标准 装置 较多 地采 用 了质量 时 间法流 量标 准装置和高压活塞式气体流量标 准装置 ， 其不确定 度能 达到 0 ． 0 6 4 9 ／ 6 ～ 0 ． 1 ， 最 佳 不 确 定 度 能 达 到 0 ． 0 5 9 ， 6 。次级标准装置则广泛采用 临界流喷嘴 ， 也 可采用涡轮流量计或容积式流量计 ， 测量的不确定 度可达到 0 ． 1 5 ～0 ． 2 5 。工作标准装置则大多 选用 涡 轮 流 量 计 ， 其 不 确 定 度 可 达 到 0 ．1 5 ～ 0 ． 4 0 。然 而 ， 在加 拿 大 T C C检定站 和南 京计 量 测 试 中心等 一系列 新建 的高 压大 流量 的天然 气流 量检 定站中， 相继都新增了超声流量计作为核查 的标准 ， 用来监 测 工作标 准 的 测 量 能力 和 计 量性 能 ， 大 大提 高 了站 内天然气 流量 检测 的可 靠性口 ] ， 其检 定 工艺 流程 如 图 1所示 。 2流动模型的建立 天然 气在 检定 站场 管道 中 的流 动可 以视 为一元 流动 ， 由于气体的流动满足质量守恒定律 、 动量守恒 定律和能量守恒定律 。根据流体力学可建立天然气 流动相 应 的连续 性方 程 、 运 动方 程 和能量 方程 ， 以描 述天然 气 的流速 、 压 力 、 温度 、 密度 和高 程 等 量之 间 的相互 关 系[ 4 ] ， 见 式 1 ～式 3 。 一0 1 a ￡0,r ’ av 。 a ⋯ 』 v d r o I I I p f d f f p d A。 2 d T 十 I O h 老 u 睾 g 妾 一 一 c3 为 了方便建 立模 型 ， 作 以下假设 ① 天然气 在 检定 站 内管道 中作 稳 定 流动 ， 即在 天 然 气 管 道任 意 一 截 面上 ， 天然 气 的质量 流量 为一 常数 ， 它不 随时 间 的变 化而 改变 ， f0 以 一N一 常数 ； ② 天 然 气 在 检定 站 内管 道 中作等 温流 动 ， 采 用检定 温度 丁， 就 可 以不考 虑能 量方 程 的影 响 ； ③检定 站 内管道 为水 平管 道 ， 即 d 一 0。 由于在实际工作中常常采用标准状况下的体积 流量 ， 为使用方便 ， 所 以把质量流量 M 换算 成标准 状况下的体积流量。考虑局部阻力系数 ， 将气体状 态方程 l0 一 代入上面方程组 ， 则方程组 可简化 为式 4 f 鱼尘 一 R 丁0 4 式 中 R 为 空 气 的 气 体 常 数 ， m ／ S K ； Q 为天然气在标准状况下体 积流量 ， n l 。 ／ s ； △为天然 气 的相对 密度 ， 无 因次 ； 户 Q 、 为管道 计算段 起 点 和 终点压 力 ， MP a ； D 为 管道 内径 ， m； 为 水 力 摩 阻 系 数 ， 无 因次 ； Z为天然 气压 缩 因子 ， 无 因次 ； 丁为 天然 气的平均温度 ， K； L为管道计算段的长度， m； L 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷第 4期 赵孟 卿 等基于 MAT L AB天然气 流量计 检定 工艺计算 4 1 5 量计的脉冲输出为高频脉冲， 其标准不确定度相当 小 ， 可 忽略 。“ 为重 复性 系数 ， 涡 轮 流 量计 的 重 复 性 系数 为 0 ． 1 。 由此得 出 ， 一 台 涡 轮 流 量 计 的 标 准 不 确 定 度 _ 二 F 9 ／ 6 0 ．1 7 7 ， 置 信 概 率 为 9 5 9 ／ 6 ， 自由度 为 5 ， 包 含 因子 k 2 。其 扩 展 不 确 定 度 U鼬 是 船一2 0 ． 1 7 7 9 ／ 6 0 ． 3 5 4 。 装置 的不 确定 度应 根据参 与 检测 的标 准流 量计 而定 ， 根 据 J J G 6 4 3 2 0 0 3 标 准 表 法 流 量 标 准 装 置 公 式求 得嘲 ， 见式 8 。 r ∑ q ] U 一 L__一 8 ∑ q i 1 式 中 为 第 台标 准 流 量 计 的不 确 定 度 ； q 为第 台标准 流量 计 “ 对应 的流 量 ， m。 ／ h。对 于 单 台 涡 轮 流 量 计 而 言 ， 其 标 准 不 确 定 度 为 船 一 0 ． 1 7 7 ， 扩展 不确 定度 为 己 ， 一0 ． 3 5 4 。 5结论与建议 经实践 证 明 ， 采 用 以涡轮 流量 计作 为工 作标 准 ， 文丘 里喷 嘴作 为次 级 标 准 ， 质 量 时 间 法 流量 标 准 装 置作 为原 级标 准 的三级 检定 工艺 ， 技术 上是 可行 的 。 若增设超声流量计作为核查标准 ， 其技术性能更优。 本 文 利用 MATL AB举 例 ， 对 D N4 0 0口径 天 然气 流 量 计检 定 时压力 、 温 度 、 粘 度 等 工 艺 参数 进 行计 算 ， 得 出在 大检 定 流速下 的压 力损 失为 O ． 6 9 MP a ， 符 合 我 国天然气输气调度的压损要求， 经估算 ， 得到不确 定 度 为 0 ． 3 5 4 9 ／ 6 。 在 以后 对 D N4 0 0以上 流量计 进行 检定 时 ， 为 实 现在 最大 流量 点下 的 检 定 ， 标定 站 应 有 充 足 的气 源 保障 ， 在考虑建设检定站位置区域时， 应优先考虑位 于气 田附近的地 区， 例如荷兰 We s t e r b e r g检定站就 位于 S l o c h t e r e n气 田_ 9 ] 。 参 考 文 献 [ 1 ]S t e p h e n D． B a l d wi n ， Un o c a 1 ． Ke n n e t h E ． S t a r l i n g ．E c o n o mi c I m p a c t o f Di f f e r e n t G a s F l o w Me a s u r e me n t S t a n d a r d s [ J ] ． S o c i e t y o f Pe t r o l e u m En g i ne e r s ， 1 9 9 7 ． [ 2 ]何敏 ， 任佳 ， 肖云萍， 等．气体超声流量计 国际标准制／ 修订进展 和发展趋势[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ，2 7 5 1 0 9 1 1 2 ． [ 3 ]李高峰 ， 王宏伟 ， 朱梅松 ， 等．旋 进旋涡 流量计 取压方式 对检定 结果的影响及 改进措施 [ J ] ．天 然气工 业， 2 0 1 1 ，3 1 1 1 1 0 0 1 O 2 ． [ 4 ]袁恩熙． 工程流体力学[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 8 6 ， 1 0 ． [ 5 ]冯叔初 ， 郭揆常． 油气集输与矿场加工[ M] ． 东营 中 国石油大学 出版社 ， 2 0 0 6 ， 5 1 5 7 1 6 7 ． [ 6 ]黄忠霖 ． 控 制系统 MATL AB计算及仿真[ M] ． 北京 国防工业出 版 社 ， 2 0 0 1 ， 1 1 1 5 2 8 ． [ 7 ]周品 ， 何正 风．MATL AB数 值分 析[ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 9， 1 1 7 6 1 8 2 ． [ 8 ]全 国流量 容量计量技术委 员会．J J G 6 4 3 2 0 0 3标准表法流量 标准装置I s ] ． 中国计量出版社 ， 2 0 0 4 0 4 1 9 ． E 9 ]陈福庆． 国外高压大容量 气体流量仪 表检定站 I- j ] ． 国外 油 田工 程 ， 2 0 0 2， 1 8 8 4 2 4 3 ． 收稿日期 2 0 1 2 0 1 1 3 ； 修回日 期 2 0 1 3 0 3 1 4 ； 编辑 钟 国利 全国首届天 然气质量 与计量学术论坛 2 O 1 3年 6月 1 8日至 6月 2 0日， 中国石油西南油气田举 办了全 国首届天然气质量与计量学术论坛。此 次论 坛 旨在探 讨我 国天然 气质量 与计 量技 术 、 标准 化 以及 未来天 然 气计 量技 术进 步发展 概 况 ， 展 望 中国天 然 气工业 的蓬 勃发展 前景 。会 上 ， 来 自全 国各地 专 家学者 围绕“ 天 然 气上游 领 域分 析 和测 量技 术 ” 、 “ 天 然 气 能 量计 量技 术” 、 “ 天然 气质量控 制技 术及 标 准化 ” 、 “ 天然 气计量 技 术及标 准化 ” 4个专 业领域 进行 了学术 交流 。 西南油 气 田高度 重视 天然 气质 量与计 量技 术研 究 ， 在 天然 气物质 测 定 、 组分 分 析 和取 样技 术 、 体 积 与 能 量计量研 究等方面， 均达到 了国内领先水平， 具备 了跨地域承担气质检测和质量计量参与国际验证活动的能 力， 为国内天然气达标管输和国际天然气贸易交接计量提供 了强有力的技术支撑 ； 同时， 负责起草 了 5 2项国 家和行业标准， 参与 了2项天然气领域国际标准的召集和起草。西南油气田通过举办此次学术论坛， 建立起 了推 进 全 国天 然气质 量与技 术 交流 和技 术进 步的 平 台 ， 对促 进 我 国天然 气计 量 方式 由体积 计 量 到 能量 计 量 转变， 以及 西南油气田 自身推进建设天然气质量控制与能量计量集团公 司重点实验室， 并力争使之成为国家 级 工程研 究 中心将 起到 积极 的推 动作 用 。 天 然气研 究 院傅 红报 道 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m