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孙勤江，陈建玲，陈庆文，李学科，杨 秀
（1.中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津 300459；
2.毕托巴科技股份有限公司，辽宁 铁岭 112000）
大多数情况下，天然气的产出总是伴随着液态烃、游离水和压缩蒸汽，这样产出的天然气成为湿天然气或多相天然气[1,2]。湿天然气具有含液率较高的特点，研究人员尝试利用各种单参数计量方法进行计量，但由于液相的存在，测量误差很大[3]。总体上文丘里管的测量效果较好，标准孔板由于上游液相累积或液体断续通过节流件等原因准确度很低，容积式流量计只能用在气液流量波动不大的场合，其它类型的单相气体流量计目前证明不能用来计量湿天然气[5-7]。如涡轮和科里奥利式流量计只能在含液率≤5%的范围内正常工作，涡街流量计多数情况没有输出，超声波流量计虽然有输出，但误差太大[8]。由于天然气中含有油污、水蒸汽与硫化物等杂质易粘附腐蚀流量计，管线内积液严重，大量杂质会影响普通流量仪表计量特性，缩短流量仪表使用寿命，也使得这些流量计计量的误差变大。但毕托巴流量计凭借其传感器的特殊结构和稳定的性能，实现了湿天然气的准确计量，在湿天然气计量领域已有大量应用案例。
图1 毕托巴流量计结构Fig.1 The structure of the BiTOBAR flowmeter
1.1 毕托巴流量计测量原理
毕托巴流量计将皮托管测速原理应用于流量测量，流量计的测量杆插入管道中心，根据伯努利方程和流动连续性方程，当被测介质流经毕托巴流量传感器时，在其两侧产生差压，总压孔对正流体的来流方向，总压与静压之差即为管道中心的实测差压。
毕托巴流量计主要由差压一次元件（差压件）、差压变送器、三阀组、连接件等组成。毕托巴流量计结构如图1。
根据JJG 640-2016《差压式流量计》，按差压件的种类来划分，毕托巴流量计属于非节流式差压件，产品出厂前需要用流量标准装置对其进行实流标定，以确定其流量系数。当用毕托巴流量计测量流量时，流量系数α为已知量，将流量系数置入流量积算仪或DCS系统，并采集与流量相关的差压、密度（或温度、压力补偿）等传感器信号，用相关的数学模型计算流量。
1.2 毕托巴流量计的出厂标定
毕托巴流量计的测量装置采用临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置标定，流量标准装置扩展不确定度为U=0.3%（k=2），装置流量稳定性为0.2%。该装置已通过CNAS认证，使得每一台出厂的毕托巴流量计的准确度得到保证，流量计准确度等级达到1.0级。
1.3 具体标定过程
将毕托巴流量计安装在流量标准装置水平试验管段上，打开三阀组平衡阀，然后打开正、负压力阀。开启流量标准装置，通过控制系统选择开启音速喷嘴前的阀门，构成不同的喷嘴组合以确定需要标定的流量点，让流体在管路中以70%最大流量循环10 min以上，关闭三阀组的正、压力阀，调整变送器的零点；
打开三阀组的正、负压力阀，流量上限值下预运行一段时间（5min以上），使管道介质温度均匀，流场稳定。调节真空泵的频率，使气体通过音速喷嘴时在喷嘴上、下游形成特定的压力比，稳定后，即可进入标定状态，通过同步采集到的相应量值，输入计算机系统，利用计算机进行数据处理，并直接输出被测流量计的流量系数α及重复性Er。常规标定点按照qmin、0.25qmax、0.5qmax、0.75qmax、qmax进行，也可根据需要增减流量点[9,10]。
差压值可用下式计算：
式（1）中：
Δpij——第i流量点j次测量差压变送器测得的差压值，kPa。
Iij——第i流量点j次测量差压变送器输出的电流值，mA。
ΔP——差压变送器量程，kPa。
对于圆形管道，毕托巴流量计的流量系数计算公式如下：
式（2）中：
qv——标准体积流量，m3/h。
ρ——空气的密度，kg/m3。
Δp——测得差压值，kPa。
D ——管道内径，mm。
设第i检定点第j次检定的流量系数为αij，则第i检定点的流量系数αi为n(n≥3)次检定流量系数的平均值，即：
流量计的流量系数为：
表1 标定原始记录数据Table 1 Calibration raw recorded data
线性误差E为：
各流量点的重复性为：
流量计的重复性Er为流量计各流量点重复性中的最大值，即：
1.4 标定原始记录数据（见表1）
1.5 材质及安装
毕托巴流量计量与介质接触的传感器部分采用高防腐的镍基825材质，焊接方式用德胜公司特有的冷焊接专利技术。传感器机架生产完成打压压力为设计压力的1.5倍，保压30 min不掉压，打压装置最高打压为60 MPa，保证传感器的耐压性，为保证测量的准确性每台流量计都用标准检测装置进行标定实验。装置无需气液分离，直接测量介质气相、液相流量。采用一体化设计，结构紧凑，撬装结构，可用于移动式或固定式设备。设备体积小，法兰接口对接，安装方便快捷。装置流程为通路，非正常情况下不会发生安全事故，影响油田生产。
2.1 防堵优化设计
毕托巴流量计一次元件直接提取管道内流体中心流速，开放式的取压孔结构，V字型的斜面能够有效地防堵。流量计从管道上部垂直向下安装，流体流动时在总压孔前部形成高压区，撞击在取压孔上的水汽、颗粒物受自身重力作用自然下落，阻止了颗粒进入传感器内部。
2.2 毕托巴流量计防堵效果好
多年来毕托巴公司通过大量的研究、实验数据对比证明，毕托巴特殊设计的流量计在附垢前后测量误差最大值为0.809%，计量精度在1级范围内，完全能满足流量计量要求。详见试验数据表和不同结晶物试验实拍图。
2.3 灵敏度高、响应性好
毕托巴流量计的测量传感器无可动部件和阻流元件，不受异物、粘度影响，可以轻松感知因压缩机的运转变化与管网压力影响的瞬间脉动流。
2.4 量程比宽
毕托巴流量计一次原件多采用机械加工形式，感受差压范围很大，但是现有的差压变送器量程比为1:100，高的到1:400。根据差压式流量计的工作原理，流量和差压的平方根成正比，所以流量量程比为1:10或1:20。毕托巴流量计对宽流量范围测量，可以用1个一次传感原件，两个或多个不同量程的差压变送器，差压变送器并列使用，这样就总地提高了差压计量的量程比，保证差压计量的准确，保证流量计量的准确，大大提高流量量程比。
表2 试验数据表和不同结晶物试验实拍图Table 2 Test data table and test real pictures of different crystals
2.5 二次装置选配灵活
毕托巴流量计自带数据库实现瞬时参数及流量的显示，以及累积流量和历史数据的再现，可就地显示天然气瞬时流量、累积流量和数据的存储、再现等，也可通过（4~20）mA模拟量输出或RS485数字信号输出与上位机连接，在工控机上实行二次数据处理，组成的计量系统更加灵活、可靠。
BZ19-6-WHPA平台计量分离器气相出口单井计量系统，是生产分离器出口总管线，是渤中13-1中心平台干气总管道。该管道规格10英寸，流量范围（0~68250）sm3/h，常用温度为55℃，压力范围为（0~10）MPa，管道材质为碳钢，管道走向为水平。BZ19-6-WHPA平台生产分离器出口总量测量用FE-2001毕托巴流量计，现场安装如图2。
2020年08月25日，干燥塔出口总管线干气，即FE-2625流量计投入使用。通过现场调试与中控人员核对现场测量数据以及渤中13-1中心平台流量计数据进行对比，流量计量也在实时稳定变化。温度为40℃，压力6.5MPa，一天的天然气累计流量在270000Nm3左右，瞬时流量为11000Nm3/h左右。
图2 FE-2001毕托巴湿气流量计Fig.2 FE-2001 BiTOBAR Wet gas flow meter
表3 渤中19-6-WHPA平台在用3台毕托巴流量计计量数据Table 3 Measurement data of 3 BiTOBAR flowmeters in use on Bozhong 19-6-WHPA platform
优点：
1）毕托巴流量传感器可采用耐腐蚀材料（如316L、钛材质等）加工制作而成，具有硬度大、强度大以及较强的抗侵彻能力，具有超强的抗磨损能力，适用各种介质工况，使用寿命长。
2）毕托巴流量计采用插入式结构，安装简单，维护量小。
3）毕托巴流量计配在线阀门连接装置，可以不停产在线安装、维护、检修，不影响生产；
能够在线拆下来进行标定检测。
缺点：毕托巴流量计计量反应灵敏，对计量稳定平稳的需求要做滤波处理。
毕托巴流量计的安装、调试、投运完全按照毕托巴流量计安装调试规范进行。根据多个已现场应用，毕托巴气流量计湿天然气现场测量数据稳定准确，满足生产工艺要求，毕托巴湿天然气流量计科学准确的计量数据为用户能源管理控制提供了有效技术保障。
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