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基于环道技术的高压气体流量计装置

时间:2018/05/30来源:未知

摘要:气体流量计在高压状态呈现与常压不同的计量性能, 为对其溯源需建立高压气体流量装置。综述了高压气体流量装置的发展及趋势, 先容了环道技术在高压气体流量装置中的应用, 并对环道流量装置的结构及关键技术进行研究, 给出合理化建议。

0前言

气体流量计在不同的工作压力下具有不同的计量特性, 流量量值的溯源特征要求检测条件与实际使用条件尽可能一致。无论用标准孔板测量天然气流量的美国天然气协会AGANO3号报告, 还是新发布的用超声流量计测量天然气流量的AGANO9号报告[1], 都提出了尽可能在接近仪表操作条件下进行校准的技术要求。欧盟标准EN12261[2]则规定气体流量计应在检定压力的 (0.5~2) 倍范围运行。国内GB/T 18603[3]及GB/T 18604[4]也提出了相应技术要求, 一些气体流量计也规定了工作压力在0.4MPA及以上的, 检定压力不低于0.1MPA并尽量使其与实际使用条件相一致[5]。因此, 有必要建立高压气体流量标准装置, 对高压气体流量计进行量值溯源[6]。

图1 直排式高压气体流量装置原理示意图

图1 直排式高压气体流量装置原理示意图

 

因为高压气源的稀缺性, 20世纪之前建立高压气体流量装置普遍使用直排方案, 即利用输气管线上游的自身压力和气量, 经检测后, 其气体进入低压管线或下游低压区[7], 其原理如图1所示。

由于高压气源的稀缺性, 国内几个石油天然气大流量站及分站采用直排方案。国际上早期的高压天然气站如美国科罗拉多工程实验室 (CEESI) 的IOWA站, 德国PTB的PIGSAR站, 加拿大TCC站, 英国BISSHOP均采用了直排方案建立高压天然气流量装置[8], 具体参数如表1所示。

表1 国内外主要直排式高压流量性能参数表

表1 国内外主要直排式高压流量性能参数表

直排方式的优点是利用了现有的高压输气管线, 故能耗低, 建站方便。

1 环道技术在气体流量装置中的运用

环道方案的原理是利用一台循环动力设备 (风机或压缩机) 驱动流体从出气口分别流经标准区及流量计检测区, 再回到动力设备进气口, 使整个检测管路形成一个环形通道, 并在此环形通道中通过相应的温度、压力和流量控制手段, 进行设定压力下的高压气体流量计检定, 其原理如图2所示。

图2 环道式高压气体流量装置原理示意图

图2 环道式高压气体流量装置原理示意图

 

该方案较早在国外一些大学的流体研究实验室进行流量检测技术的实验研究, 20世纪90年代初由世界有名的美国西南研究院 (SWRI) 气体研究学会 (GRI) 引入高压天然气计量领域[9]。

***近建立的高压气体流量装置如荷兰计量院欧洲环道气体流量装置 (2010) [10]、德国RMA企业气体流量装置 (2014) 、丹麦FORCE天然气流量装置 (2015) 都采用了环道设计[11-13], 其参数见表2。我国由天信仪表集团有限企业2014年建立了套DN200空气环道流量装置[14], 之后2015年中国计量科学研究院建立了一套DN100空气环道流量装置。石油天然气大流量站成都分站设计了一套DN400高压环道天然气流量装置, 目前仍在调试中。

表2 国内外主要环道式高压流量性能参数表

表2 国内外主要环道式高压流量性能参数表

由于环道方案***大的优点为对外部气源依赖性小, 高压流量检定压力、流量连续可调, 确保系统检定能力不受外部气源的影响。因此, 该技术迅速在高压流量装置建设中普及开来。

2 环道式气体流量装置结构及关键技术

环道式高压气体流量装置主要由驱动源 (离心风机、变频器) 、标准器 (标准表及核查表) 、被检区、管道及阀门系统、温控系统、采集控制系统几部分组成。

2.1 驱动源

驱动源是流体流动的动力。在高压状态下, 流体管道沿程阻力、弯头压损、阀门 (开关阀及流量调节阀) 压损、仪表压损等都比常压下大一个量级, 驱动源必须提供足够的驱动力才能克服这些压力损失并提供流动运动的动能。目前通用的驱动方式有风机和压缩机, 风机可提供较大的流量, 压缩机可提供更大的驱动压力。驱动功率的确定同样是至关重要的, 功率越大, 设备预算越高, 同时运行时耗电量越大。若设计功率不够, 则流量达不到技术要求。采用流动动力学理论分析, 根据***大流量、运行***大压力、***大压损进行驱动功率的计算, 在计量性能、功率及投入预算三者中寻找***佳平衡点。

2.2 温控系统

由于驱动源效率一般约70%左右, 必然有30%的功率消耗为热能。同时, 流动中的耗散热也不可忽视, 特别是在闭环系统中, 会随运行时间增加而温度越来越高, 对安全和计量要求造成致命影响。另外, 高压计量仪表在不同温度下的计量性能是不同的, 为满足在特定温度下进行检定的需求, 系统必须可以进行运行温度的控制, 包括加热与制冷。而检定过程中, 要求流体温度变化不超过±0.5℃是***基本的要求。这对温控系统的设计提出很高的要求, 必须考虑流体耗散热、驱动源散热、管道与环境空气热传导等一系列的热平衡。此外, 温控系统的功率也决定设备预算及运行成本。温度的动态平衡依赖于模拟分析, 以计算流体力学、数值传热学进行项目设计是***佳路径。

2.3 标准器

目前高压天然气流量装置中, 使用标准表法较为普遍。标准表常用的有音速喷嘴、涡轮流量计、腰轮流量计、超声流量计。它们各自有各自的优缺点[15]:音速喷嘴溯源周期长, 价格便宜, 但压损***大;涡轮流量计稳定性好, 价格较贵但溯源周期短;腰轮流量计准确度高, 但价格贵、流量小;超声流量计无压损, 但稳定性差, 价格***贵。选择标准器时, 根据流量计的特点选择合适的标准表组合及核查表组合和传递标准组合, 达到***大/***小流量需求、量值溯源需求及成本预算需求的***佳平衡也是需要详细论证研究的重点。

2.4 噪音控制

超声流量计是环道式高压流量装置上检定较多的一类流量仪表, 其计量性能受到流体噪声的影响较大。因此, 设计环道式流量装置时, 噪音是必须重视的参数。噪音的来源包括但不仅限于:驱动源运动、管道震动、流体经过阀门、管道弯头等。

2.5 压力控制

环道式高压流量装置的特点是管道检定压力连续可调。升压/降压方式为注入压缩天然气或者抽回天然气。一般采用储气瓶组或者压力容器作为高压气源, 若要提高管道检定压力, 则使用减压阀将压力容器内高压 (比如20MPA) 的压缩天然气注入环道;若要降低管道检定压力, 则使用天然气压缩机将低压天然气压缩回压力容器。根据检表***大口径、***大流量、***大压力确定使用的压力容器的容积, 选择天然气压缩机的功率及流量。

其他重要的设计及参数还包括:仪表装卸安装伸缩器设计、管道同心度影响分析、流动稳定度分析、温度测量、流量调节等, 这些参数均影响装置准确度及运行效率。

3 总结

高压气体流量计需高压检定是必然的趋势, 而环道技术作为高压气体流量装置的一种设计方式, 可以使装置摆脱外部高压气源的依赖性, 使得高压气体流量计量装置得以广泛建立成为可能, 成为目前***流行的设计趋势。环道技术高压气体流量计量装置的相关研究尚属起步阶段, 通过分析环道式高压流量装置的结构及关键参数, 可以发现驱动源及温控系统是整个环道技术的基础, 而噪音控制、压力控制是提升装置准确度及实用性的关键, 其他流动稳定度分析、温度测量、流量调节等关键参数研究给装置的设计提出合理化建议及思路, 具有重要的参考意义。


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