K-факторы ротационных газовых счётчиков на воздухе и природном газе

В данной статье рассматривается вопрос о том, можно ли перенести K-факторы ротационных газовых счетчиков, полученные на воздухе, на условия эксплуатации на природном газе. В работе используются испытания Тана счетчиков DN50 и DN80 в шести рабочих точках расхода для каждого типоразмера. Сравнение основано на результатах для атмосферного воздуха из Чунцина и Центрального Сычуаня и результатах для природного газа под давлением из Чэнду. В представленном сравнении воздух, как правило, давал более высокие K-факторы, однако величина и направление различия варьировались в зависимости от расхода и условий испытаний. Полученные результаты помогают определить, где требуется проверка переноса между условиями. В исследовании не выделяется эффект среды отдельно от различий лабораторных условий и давления.

Ротационный газовый счётчик может быть испытан на воздухе, хотя его предполагаемой рабочей средой является природный газ. Коэффициент K — это зарегистрированное количество импульсов, делённое на эталонный рабочий объём. При расчёте на основе импульсов объём получается делением количества импульсов на применимый коэффициент K. Поэтому изменение этого коэффициента имеет значение, даже если счётчик и номинальная точка расхода остаются теми же.

Насколько близко согласуются сообщённые K-факторы для воздуха и природного газа на рабочих точках расхода для двух испытанных типоразмеров? Практическая цель — определить, где коэффициент, полученный для воздуха, требует дополнительной проверки перед использованием в условиях природного газа. Обозначения DN указывают типоразмер счётчика; сравнение всё равно должно выполняться на фактических рабочих точках расхода. Тестовые примеры относятся к измеренному K-фактору в указанных лабораторных условиях. Применение одного коэффициента к другим условиям — это отдельное инженерное решение, зависящее от того, какую погрешность может допустить применение.

Тан протестировал ротационные счетчики DN50 и DN80 на эталонах расхода воздуха на Чунцинском газовом месторождении и в Центральном нефтегазовом месторождении Сычуани, а также на эталонной системе природного газа Чэндуского филиала. План испытаний ротационных счетчиков включает шесть рабочих точек расхода для каждого типоразмера, с продолжительностью сбора 120 секунд и шестью показаниями на каждую точку. В нем также указаны четыре раунда испытаний на стабильность с интервалом не менее одной недели. В приведенном ниже сравнении используются два условия давления в Чэнду и средние результаты, заявленные для воздушных лабораторий. Эти детали проекта задокументированы в главах 3 и 5 диссертации, особенно в таблице 5-2 и §5.3.2.

В испытаниях Чунцинского газового месторождения таблицы 4-20–4-23 и рисунок 4-8 показывают, что давление газа было почти одинаковым в первых двух прогонах. Первый прогон был теплее при расходе выше 100 м³/ч и холоднее при расходе ниже 100 м³/ч. Кривые коэффициента K для этих двух прогонов не показали четкой закономерности. В третьем и четвертом прогонах давление было ниже, а температура выше, чем в первых двух, однако их коэффициенты K изменились незначительно. В отличие от результатов турбинного расходомера, автор обнаружил лишь незначительное влияние изменений давления и температуры газа на коэффициент K в данном конкретном наборе испытаний.

Автор выбрал два набора данных эксплуатационных испытаний при различных давлениях из филиала Чэнду и сравнил их со средними данными испытаний из газового месторождения Чунцин и нефтегазового месторождения Центрального Сычуаня. В таблице 5-12 приведены данные DN80, а на рисунке 5-9 сравниваются кривые из разных лабораторий.

Сравнение K-фактора DN80. Перерисовано на английском языке по Tang (2018), таблица 5-12. Линии соединяют указанные точки. Более низкое давление в Чэнду составляет 0,9 МПа в таблице и 0,8 МПа на исходном рисунке 5-9.

На рисунке 5-9 показана общая тенденция к более высоким значениям коэффициента K в воздухе, чем в природном газе. В диссертации сообщается о максимальном отклонении 0,96% и минимальном 0,02% между атмосферным воздухом и природным газом при условии, которое в этом разделе обозначено как 0,8 МПа. Для атмосферного воздуха по сравнению с природным газом при 1,5 МПа сообщается о 1,15% и 0,01% соответственно. В следующем разделе сравнивается природный газ при 0,9 МПа и 1,5 МПа, сообщается о аналогичных тенденциях и максимальном отклонении 0,35%, при этом ближайшие точки почти совпадают.

Для Чунцинского газового месторождения в таблицах 4-14–4-17 и на рисунке 4-6 показаны очень малые различия коэффициента K. Тем не менее автор отметил тенденцию к более высоким значениям коэффициента K при более высоких температурах и счёл, что в этом сравнении влияние температуры для ротационного счётчика больше, чем для турбинного.

Для филиала в Чэнду в диссертации приводятся таблицы 4-77–4-78 и рисунок 4-31. Автор интерпретирует сравнение как показывающее более высокий коэффициент K при 1,5 МПа, чем при 0,9 МПа, и объясняет эту тенденцию давлением. Два набора данных по Чэнду при различных давлениях были сопоставлены со средними результатами испытаний Чунцинского газового месторождения и Центрально-Сычуаньского нефтегазового месторождения. В таблице 5-13 представлены данные DN50, а на рисунке 5-10 показаны кривые сравнения.

Сравнение K-фактора для DN50. Перерисовано на английском по Tang (2018), таблица 5-13. Линии соединяют указанные точки.

На рисунке 5-10 показана общая тенденция к более высоким K-факторам в воздухе, чем в природном газе. Для атмосферного воздуха по сравнению с природным газом при 0,9 МПа в диссертации сообщается о максимальном и минимальном отклонениях 1,17% и 0,01%. Для атмосферного воздуха по сравнению с природным газом при 1,5 МПа сообщается о 0,78% и 0,01%. Кривые природного газа при 0,9 и 1,5 МПа следовали схожим тенденциям. Наибольшее отклонение составило 0,39%, а ближайшие точки почти совпадали.

Измерения выявляют точки расхода, в которых передача коэффициента, полученного для воздуха, заслуживает более пристального внимания. При 70 м³/ч для DN50 оба заявленных коэффициента для воздуха превышают оба заявленных коэффициента для природного газа. При 40 м³/ч значение для Чэнду при 1,5 МПа превышает значения обеих воздушных лабораторий. Это изменение порядка показывает, почему единая поправка, выведенная из общей тенденции, упустила бы важные поточечные различия. Сравнение изменяет среду, давление и референсную установку одновременно, поэтому оно количественно оценивает различия между условиями испытаний, не выделяя причинный вклад каждой переменной. Заявленные экстремумы полезны для определения диапазона наблюдаемых различий в выбранных сравнениях. Они не являются оценками неопределённости или допустимыми погрешностями. При рассмотрении данных для предлагаемого испытания запрашивайте показания в точках расхода и неопределённость измерений для каждого условия; одно лишь общее среднее может скрыть точки, требующие отдельной проверки.

Для испытанных счётчиков DN50 и DN80 согласованность K-факторов для воздуха и природного газа зависела от рабочей точки расхода и условий сравнения. Таблицы позволяют проверить перенос на предполагаемых точках расхода и зафиксировать тестовую среду, давление и эталонную установку вместе с указанным коэффициентом.

В рамках последующего сравнения можно испытать тот же счётчик при согласованных расходе, давлении и температуре, изменяя среду на совместимой эталонной системе. Повторение таких парных испытаний на дополнительных счётчиках и указание соответствующей неопределённости помогли бы отличить воспроизводимый эффект среды от вариации стенда и образца.

В таблице 5-12 для условия пониженного давления в Чэнду указано 0,9 МПа. На рисунке 5-9 и в первом абзаце сравнения используется 0,8 МПа. Обе метки сохранены там, где они встречаются в источнике, и их следует согласовать перед использованием этого условия в спецификации. Тенденция давления для DN50 — это интерпретация автора выбранного сравнения. Табличное значение K-фактора при 10 м³/ч составляет 1408,62 м⁻³ при 1,5 МПа и 1409,69 м⁻³ при 0,9 МПа.

Тан Исинь. Сравнительное исследование испытаний газовых расходомеров воздухом и природным газом [перевод названия]. Магистерская диссертация, Юго-Западный нефтяной университет, 2018, §5.3.2, стр. 71–72 (страницы PDF 79–80); план испытаний в таблице 5-2, стр. 61 (страница PDF 69). Английские графики построены независимо по таблицам 5-12 и 5-13. Сканы исходных рисунков 5-9 и 5-10 сохранены в файле проверки источника.

Редакционное фото обложки: Фотография механических операций в Sandia, Министерство энергетики США. Работа правительства США согласно исходной записи. Обрезано для макета обложки с наложением заголовка. Фотография иллюстрирует инженерную работу.