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 技术论文
 

基于声速测量和使用校正技术的能量流和沃泊指数的计量

H . J . Panneman C.W.Koreman
S.Toonstra F.Huijsmans

晁宏洲译 王文华校
(塔里木油田分公司计量检定测试中心)

1. 引言

    Gasunie Research部门在有效能源利用、天然气测量、天然气传输中积累了多年的经验,以此来作N.V.Nederlandse Gasunie公司的实验室内研究。直到2002年的开始,这个公司是一个综合的天然气天然气传输和贸易的公司,几十年来一直是欧洲的最大供应商之一。作为这个公司的一个部门,Gasunie Research一直努力保证气体供应的连贯性,保证气体传输的安全性,提高天然气作为燃料的附加值。Gasunie Research发展起了为民用、商用、工业终端用户也包括能源部门自身服务的技术财富。Gasunie Research通过这些活动和这么多年的实践经验获得的专门技术对第三团体也适用。

    能量测量是天然气传输公司的主要任务之一。天然气行业的新的课题,促使这个公司开始关注能量测量的新需要(例如天然气组成的变化很大且频繁发生)。这就是为什么在能量计量方面出现了很多新的发展。现在的天然气能量测量系统包括体积流量计量,体积流量从现场工艺条件向参比条件的转换和参比条件下发热量的确定。发热量、 H SR 大多决定于用过程气相色谱仪化验得到的气体组成。体积流量通常用涡轮流量计、超声波流量计或孔板流量计得到。体积转换因子有热力学状态方程,使用气体组成和气体物性数据来计算压缩因子或密度。

    拥有包括过程气相色谱仪在内的精确能量流量计费用很高,为此原因 Gastransport Services(N.V.Nederlandse Gasunie公司的传输部门)和Ruhrgas AG启动了旨在发展一种新型能量流测量方法的共同项目。这种方法产生现场条件下的发热量(对贸易交接站点)和沃泊指数。

    这个新型方法基于三个合适性质的测量(例如物理性质或组分浓度)和这些物性与气体组成的准确的关联性。这个计算出的气体组成用以计算高位发热量、密度和参比与现场条件下的压缩因子,也用传统方法计算沃泊指数。

    在这个共同的项目中, Gasunie Research从事两种型式的能量流量计的开发。第一个概念基于测定高压下声速(VOS high )、低压下声速(VOS low )和二氧化碳摩尔分数(X CO2 )。这种组合方式特别适合于高压(P>40bar)站点。第二个概念也基于VOS low 和X CO2 ,但使用仪器产生的参比条件下的高位发热量H SR 作为第三个输入参数。这种组合方式特别适合于气体压力低于40bar的站点。然而,配合使用热量计得到的一些现场测试结果也会被呈现出来。

1.1 新型关联能量流量计的优势

    新型能量流量计基于各测量仪表和组成部分。这些仪表在天然气工业中已应用多年。因此,使用在新型能量流量计中的仪表经证实具有很高的准确度和可信度。如果需要的话,校准频率可以很低。这可能是在超过一年的测试期内,没有仪表需要重新校准和没有仪表使用故障发生的原因之一。

    新型能量流量计可以被简单安装在靠近取样点的一个很小的防爆盒子内,使得投资费用相对很低。

    最后,新型流量计低气体消耗和很快的测量循环。因此非常适合象气体混合站等的工艺控制。

2. 方案目标

    总体方案的目标是建立一台准确的声速表和发展基于包括一种或两种声速测量的三种物性测量的能量流量计。开展了实验室和现场测试来评价能量流量计的性能并与高精度的 500型Daniel Danalyzer现场气相色谱仪作比对。这台色谱仪是Gastransport Services在Netherland地区为贸易交接目的而使用的。进一步地作了改进以得到高性能的沃泊计量仪表。

3. 理论背景和计算程序

    关联方法基于这样一个假设,即天然气在特性上可以被看成包括氮气、二氧化碳和等值烃类气体(甲烷 +较重烃类)的四组分混合物。同样的方法已经应用于SGERG方程式[1],[2]。在这种关联方法的基础上发展起了一种详细的迭代方法[3]。使用三个输入参数,天然气中几个主要组分的组成含量可以被计算出来,这可以被用来计算高位发热量、密度、压缩因子和沃泊指数。

    正如前面申明的,关联方法需要测量三个独立气体性质的数据。首先的是可以用相对简单但准确和可信的传感器测量的性质。这些传感器要易于维修,拥有它相比较现在能量测量方法的费用要低。 Gastransport Services和Ruhrgas共同的项目表明,可以有许多种可测气体性质的组合方式[4],[5],[6],[7]。特别地,低压下声速、高压下声速和二氧化碳摩尔分数的结合方式更具有吸引力,因为它达到了前面提到的条件,可以给出准确的结果[8],因此在本文中详尽讨论。

    计算方法的示意图显示在图 1中。迭代相关程序中使用的计算步骤有下列序列:一个最初得到的气体组成数据被用以计算声速,计算出的声速与测量得到的声速作比较。因为声速是温度T和压力P的函数,这两个参数也必须高精度测量。

图 1-用三种独立气体性质计算发热量、密度、沃泊指数等的方法

    依赖这些差异,调整组分,重复计算直到计算得到的和测量得到的声速数据的差值绝对值小于 0.005%。最终的气体组成数据用以计算参比条件下的高位发热量H SR ,单位为MJ/m 3 (n),现场条件下的高位发热量为H S ,参比和现场条件下的密度ρ R 和ρ,参比和现场条件下的压缩因子Z R 和Z。

    相关性模型自身用几种已知组成的气体,数据摘自 GERG-气体种类[9]中的列表和实验室气相色谱仪根据ISO6974和ISO6976分析得到组成的几种试验气体进行验证。已知气体组成用以计算参比条件下高位发热量H SR 还有低压和高压下的声速。两种声速和CO 2 摩尔组成用作相关性模型的输入参数。

    计算表明,基于两种声速测量和二氧化碳摩尔分数的相关性模型,在整个天然气范围内预报的高位发热量值在 0.1%准确度范围内。

    同样重要的是相关性模型对测量得到的数据中微小偏差(由于随机和系统误差)的灵敏性。计算表明,高压下声速和低压下声速 VOS low 的0.01%的偏差分别造成参比条件下高位发热量H SR -0.11%和+0.12%的误差。

    基准条件下的高位发热量 H SR 的误差在差压降低时会增大,而高压下声速VOS high 和低压下声速VOS low 在该差压下测得。测量的气体温度的偏离也会导致H SR 相当大的误差。高压和低压下声速测量中的温度T high 和T low 的0.01%(30mK)的偏离,分别会导致H SR +0.07%和-0.06%的误差。压力和CO 2 摩尔分数的偏离造成非常小的H SR 误差。如果VOS high 和VOS low 均偏离+0.01%,H SR 的误差几乎补偿了(-0.11%+0.12%=0.01%)。同样的情况也发生在T high 和T low 。因此,声速测量和温度测量中的系统误差(比如由于校准的原因),只造成发热量相当小的误差。

4. 仪器

4.1声速计

    初步的测试工作用 Instromet Ultrosonics公司的一台Q.Sonic-3超声气体流量计完成。超声气体流量计给出气体速度(主要性能)和声速(次级用以诊断的性能)作为输出。结果表明,传播时间测量的方法用于超声气体流量计非常适合于声速的准确测量。

    把声速的测量应用于相关能量计量意味着对声速计提出以下要求:( a)高准确度(优于0.03%)和非常高的再现性(优于0.005%);(b)声速计需要用连续气体流量操作,因此很小的内部体积对低气体消耗很重要;(c)声速计中气体温度和压力必须准确已知,因此只有温度和压力的变化相对于测量时间很大才行。此外,两种声速计的温度和温度剖面更适宜是同样的。

    Gasunie Research 和Instromet公司合作研发了一种小体积,高准确度的声速计,满足了上面提到的要求。新的声速计基于Instromet Ultrosonics公司的新型的Q.Sonic-3s一体化超声流量计的换能器和电子元件。新的声速计的照片示于图2中。应用了两台完全相同的流量计,一台用于高压声速测量,一台用于低压声速测量。声速计的体积大致为20×10 -6 m 3 ,声道长大约为0.12m。

图 2-小体积,高准确度声速计

    用几种气体进行的实验显示出,测量得到的和计算得到的声速的差异通常在 0.04%以内[10]。声速的计算来自已知气体组成、压力和温度,使用基于AGA8-DC92状态方程的软件。偏差可以来自于测量误差,也可以来自于很小的气相色谱仪分析结果的误差,它在计算的发热量中不显示出来,但确实在计算的声速中显示出来。声速测量的再现性,2σ,优于0.005%。

4.2 CO 2 表

    应用于相关能量流量计的 CO 2 表,见图3,是一种商业适用的非色散、双波长近红外仪表,型号AGM10,测量范围0~5mol%CO 2 ,Sensor Europe制造。该仪表保持在恒定温度50℃,装配了压力补偿。测量不确定度为0.05mol%,再现性为0.01mol%。

图 3-打开外盖的CO 2 表

4.3 压力和温度测量

    压力的测量采用本安型式批准的 Yokogawa EJA310A绝对数字压力变送器。这些变送器的不确定度为0.01bar,再现性为0.005bar。温度测量采用1/10 DIN 4线制PT100铂电阻和Moore Industries TDZ数字本安型温度变送器。温度测量的不确定度为0.03K,然而再现性为0.01K。

4.4 热量计

    用于测试低压相关能量流量计的热量计,是 Instromet Tru-Therm的产品。该仪表通过化学计量燃烧的方式确定参比条件下天然气的发热量。该仪表需要一个稳定的空气流量并使用甲烷(性能符合4.5)作参考气,每4小时校准一次。

4.5 能量流量计

    相关能量流量计的示意图见图 4.天然气要能满足压力40bar以上。压力可以降低,更适宜于小体积减压器,大约从40bar到5bar范围。高压和低压流量在进入声速计之前都经过热交换器。换热器和声速计安装在一个绝热的箱体内,使得有可能对温度进行调节。气体流量通过声速计下游的针形阀进行控制,一部分低压气转向CO 2 表。

    两种声速计的气体消耗大约为 2.5×10 -3 m 3 /hr,对应于大约30sec的停留时间。一个数据采集系统存储需要的测量数据:VOS high 、T high 、P high 、VOS low 、T low 、P low 和X CO2 ,随后计算机系统计算结果(气体组成、发热量、参比条件下的密度和压缩因子)。

    低压相关能量流量计使用 VOS low 、X CO2 和Trutherm热量计,使用减压器和快速回路连接到基本气体流中。

图 4-基于两种声速和CO 2 摩尔分数测定的能量流量计

5. 实验室测试结果

    在图 5中显示了用相关能量流量计和用一台HP5890实验室气相色谱仪(根据ISO6974标准分析,根据ISO6976标准计算)得到的参比条件下发热量的差异。使用了组成变化很大的不同气体,发热量在33和45MJ/m 3 (n)之间变化。这些试验的进行,显示出相关技术适用于所有的天然气。

图 5-用相关能量流量计和实验室气相色谱得到的高位发热量的相对偏差

    从图 5中可以得出结论,这些初步的实验结果表明用两种声速和CO 2 摩尔分数的方法得到的参比条件下高位发热量与用实验室气相色谱方法得到的这个数值的最大偏差为±0.3%。发热量的再现性,2σ,用100次连续的测量结果分析为0.11%,并且与气体的组成无关。

6. α现场测试结果

    进行第一个现场测试为了研究长期稳定性、可信度、测试设备上的污垢造成的可能影响、仪器读数可能发生的漂移。同时对环境条件变化造成的影响也进行了研究。这些仪器放置在一个计量站的便携式箱体内。

    一台 Danalyzer现场气相色谱仪也安装在该箱体内。从Danalyzer产生的组成数据计算得到的发热量的再现性在±0.02%范围内。通过比较新型相关能量流量计和Danalyzer的结果,上面提到的项目(稳定度、流量计污垢、漂移)都可以很好地监控。现场气相色谱仪每15min更新发热量数值,而相关能量流量计几乎每10sec更新一次。气相色谱和能量流量计每小时平均的发热量数值用以在一个很长的时期内对两种仪器作比较。

    三个星期内测量得到的发热量每小时的平均结果显示在图 6和图7中。

    从图 6和图7可以得出结论说基于两种声速测量和CO 2 摩尔分数测量的能量流量计与Danalyzer气相色谱仪相比较,有一个很小的但几乎保持恒定的偏差。这个很小的偏差造成的原因是(2VOS+CO 2 )流量计是用实验室气相色谱仪产生的数据进行校准的。对声速计的校准参数进行了调整,结果是几种气体测量和计算得到的结果偏差达到了最小。

图 6-用Danalyzer气相色谱仪和两种新型能量流量计得到的发热量

    用( H S +VOS+CO 2 )能量流量计和Danalyzer气相色谱仪得到的平均发热量是相同的。然而用(H S +VOS+CO 2 )能量流量计得到的H SR 的每小时平均值的变化与Danalyzer气相色谱仪和(2VOS+CO 2 )能量流量计的方法比较起来相当的大。这个大的变化几乎完全是由于热量计的测量不确定度造成的。

图 7-三周时间内用能量流量计和

Danalyzer气相色谱仪测量得到的发热量的相对偏差

    用一个很短的时期内气体组成几乎恒定的 100次测量结果来确定(2VOS+CO 2 )能量流量计测量参数的随机误差和对应的H SR 的不确定度。结果显示在表1中第2列和第3列中。由独立贡献确定的H SR 的随机误差(0.12%)和测量得到的H SR 随机误差(0.1%)彼此一致并于表2中给出的数值一致。很显然,VOS H 和VOS L 的随机误差对△H SR 给出最大的贡献,然后是温度测量中的随机误差。H SR,correlation 和H SR,GC 每小时平均值的随机误差两者都大约0.02%。

    表 1-α现场测试中,计算发热量的变化和输入参数的测量随机误差(2σ)

    P VOSH 和P VOSL 分别为39bar和5bar

    α现场测试中,用( 2VOS+CO 2 )能量流量计测得的发热量的变化通常比上面计算的数值大。这些变化主要是由于天气的影响造成了箱体内的很大的温度波动。这导致了声速计的温度一个连续的正弦曲线变化,造成声速计表体内部温度梯度。声速计内部真实气体温度和用PT100测量的温度两者之间的差异与这些温度梯度有关。

    用测试气体以规则的期间控制测量,清楚地表明两种声速计在α现场测试中没有表现出任何大的偏移。在图 7中,用(2VOS+CO 2 )能量流量计测得的发热量和Danalyzer气相色谱仪得到的数值之间的差异不是恒定的,这预示着仪器有偏移。在对所有测试的数据检查完后,似乎可以看出,声速计的温度在这一期间内连续升高,导致了用相关能量流量计测得的发热量偏低。这种温度的影响已经在早期的不同温度的校准测试中发现了[10]。

    用不同气体的测试表明声速测量的系统误差轻微依赖于所测量的气体类型。直到现在,不可能确定这个(小)偏差的准确来源。很可能声速测量本身轻微依赖于气体,另一方面 AGA NO8计算模型和用气相色谱分析组分浓度的不确定度对此误差有责任。例如用两台完全一样的实验室气相色谱仪,取得了相同的高位发热量,在气体组成上仍然表现出一些非常小的差异。这些很小的组成上的差异在计算的声速中造成了0.04%的变化。

    在α现场测试中,其它仪器( CO 2 表,压力和温度变送器)没有表现出任何偏移。

    表 2中对这段持续时间内得到的结果进行了总结。使用月平均发热量,(H S +VOS+CO 2 )能量流量计和Danalyzer气相色谱仪之间的差异小于±0.02%。(2VOS+CO 2 )能量流量计和Danalyzer气相色谱仪之间的差异介于-0.11%到-0.14%之间。偏移主要是由于这些新型流量计的校准方法。新型能量流量计和Danalyzer气相色谱仪两种方法得到的发热量的差异测量再现性(2σ)为大约0.1%。因为Danalyzer气相色谱仪的再现性优于0.02%,可以得出结论,新型能量流量计的再现性为大约0.1%。这与实验室测量得到的结果一致。

    表 2-能量流量计(A:H S +VOS low +X CO2 B:VOS high + VOS low +X CO2 )

    持续测量结果与 Danalyzer气相色谱仪的对照

7. 作为商业产品所需要的改进

    a.对两种声速计使用完全一样的恒定的温度

    把两种声速计放在同一壳体内,保持环境温度之上的一个恒定温度,计算的发热量的随机误差就减小了。然而温度控制仍然简单,准确,费用低廉。通过制作一个铝质圆筒壳体,在其表面覆盖热示踪元件,轴向和径向温度梯度就可以最小化,见图 8。用Omron温度控制仪和PT100加Moore工业变送器,温度可以保持恒定在323K±0.005K。

图 8-放置在同一铝质表体内的高低压声速计,外覆盖热示踪元件

b.最小化声速测量的随机误差

    这可以通过在一个循环中增加声速测量次数和优化声速计参数来实现。改进后的温度控制器同样以正的方式造成随机误差。声速的测量有优于 0.0015%的再现性(2σ-在恒定气体组成下20次连续测量得到的数值)。

c.声速计内部体积的减小

    要确定高压下声速现在的系统需要天然气在至少 40bar以上有效。测量低压下声速,压力降到大约5bar,连续气流通过两种声速计。如果给定响应时间为1sec,声速计内的气体必须至少每秒钟完全更新一次。体积为20×10 -6 m 3 的声速计则需要40bar的天然气3m 3 (n)/hr,5 bar的天然气0.35m 3 (n)/hr。声速计内部体积减小因数9已经作到了,排出的天然气也减小了同样的因数。

d.响应时间的减少

    能量流量计的原型响应时间为大约 20sec,借助使用一套可选择的数据采集系统,通过减小取样系统和声速计的体积,有可能实现几秒的响应时间。新系统流程图示于图9中。两种声速计中的压力通过下游的背压阀确定,流量通过上游的镇形阀调整。高低压气体热交换器也整合在一个铝质圆筒表体内。

e.能量流量计屏蔽的构建

在开始β现场测试前改进的流量计安装在一个防爆的屏蔽箱内。

图 9-改进的能量流量计示意图。

铝质圆筒壳体,温度保持在 323K,包含了虚线内的各部件

8. β现场测试结果

    起先,改进的能量流量计在 Gastransport Services公司的研究设备上进行测试。在这些测试中,高位发热量H SR 和沃泊指数W i 被计算出来并用来同Danalyzer现场色谱仪的结果作比对,沃泊指数被定义为高位发热量和气体相对密度d的平方根的比值。

    沃泊指数是借助进样器注入燃烧炉的能量数量的度量。在进样器压力下对任何给定的进样器两种不同组成和发热量却有相同沃泊指数的气体放出相同数量的能量。

    同α现场测试结果比较起来, H SR 的随机误差(2σ)从0.1%降低到了大约0.023%。沃泊指数W i 的随机误差大约为0.025%。它表明测量的密度的误差也非常小。

    改进后的流量计的的不确定度(大约± 0.3%)与最初的原型比较起来没有变化。

    在一个额外的现场测试中,对流量计长期稳定性、可信度、校准频率、测量设备的污垢影响和测量条件变化所引起的偏移进行了研究。相关能量流量计的结果再次用来同 Danalyzer现场色谱仪的结果作比对。

    用相关能量流量计和气相色谱得到的高位发热量的差异表示在图 10中。可以得出结论说,同气相色谱法相比较,不再有系统偏差。同时,在这个期间内没有检测到偏移。新型能量流量计和Danalyzer气相色谱仪的再现性均为大约±0.02%。

    许多响应时间的测试表明,新型流量计的响应时间为大约 6sec,包括两个主要的贡献。声速计内气体更新的响应时间为2~2.5sec,然而电子元件的响应时间为3~4sec。后者还可以改进。

图 10-用相关能量流量计(H S,COR )和Danalyzer(H C,GC )气相色谱仪

在 14天的期间内得到的高位发热量的差异

    再次地,在一个短期间内用几乎恒定组成的气体对改进的能量流量计测量参数的随机误差和对应的 H SR 的不确定度用100次测量结果进行了确定。结果表示在表3中。用独立贡献确定的H SR 随机误差(0.026%)与测量的H SR 随机误差(0.023%)彼此一致。当看α和β现场测试中测量项目的随机误差,发现改进的效果更明显,见表3。H SR 和W i 的很小的随机误差主要是由于改进的声速测量仪器和温度的较好控制。

    表 3-α和β现场测试中,计算发热量的变化和输入参数的随机误差(2σ)

    P VOSH 和P VOSL 分别为39bar和5bar

9. 结果和前景展望

    最新研发的小体积、高准确度声速计提供了声速数据,与计算得到的声速有小于 0.04%的偏差,再现性在0.002%范围内。

    灵敏度研究揭示出高压和低压下声速测量的系统误差造成了计算发热量的相同大小的误差。在两种声速计的温度测量中也保持同样的情况。声速测量的随机误差造成了发热量高于 10倍的误差。

    通过 CO 2 摩尔分数和两个不同压力(P H -P L >35bar)下声速结合的方式确定的发热量H SR 同实验室气相色谱比较起来有最大±0.3%的不确定度。在实验室条件下再现性为±0.12%。在α现场测试中新型能量流量计的再现性为±0.1%。

    在进行了一系列的改进后,随后对改进的流量计进行了β现场测试。测试的结果表明改进的能量流量计的不确定度(<± 0.3%)和测量再现性(±0.02%)完全比得上目前在贸易交接场合应用的高精度现场气相色谱。

    基于 40bar和5bar不同压力下声速测量和CO 2 测量的新型关联能量计,对生产现场和贸易交接站都似乎是在确定天然气能量方面充满希望的仪器。由于它的只有几秒的很短的反应时间,它同样是在天然气处理控制应用中比如混合站确定天然气流能量(沃泊指数)的一种理想的仪器。

    再者,与现在能量流量计和沃泊指数表相比较,拥有新系统的费用相当低。

10. 符号

d 参比条件下天然气对空气的相对密度

H SR 参比条件下的高位发热量,MJ/m 3 (n)

P 压力,bar

T 温度,K

VOS 天然气的声速,m/s

W i 沃泊指数

Z 天然气的压缩因子

ρ R,gas 参比条件下天然气密度

ρ R,sir 参比条件下空气密度

11. 参考文献




 
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