CN106796128B - 针对水蒸气影响的天然气流量计算校正 - Google Patents

Abstract

一种用于测量气体(305)中水蒸气的浓度的系统，包括被配置为感测气体(305)的静态气压的气压传感器(202)，和被配置为感测压差的压差传感器(205)。温度传感器，感测气体(205)的温度。电路(208)基于测量出的气压和温度来确定气体(305)中水蒸气的浓度。

Description

针对水蒸气影响的天然气流量计算校正

背景技术

本发明涉及气体流量(flow)测量。更具体地，本发明涉及流中存在的水蒸气对这种测量的影响。

政府规定对能源生产商设置了越来越多的限制，以考虑生产期间的温室气体含量。例如，天然气产业必须考虑CO₂排放量。在许多应用中，管道中存在着在对“干燥气体”组成的气体色谱仪分析期间未识别出的水蒸气。

从井中流出的天然气混合物通常由许多天然气种类的组合而组成。一些是烃类气体，例如甲烷、乙烷、丙烷等，这些是所希望的产品。其它是价值不大的副产品，例如二氧化碳、氮气等。作为这些副产品气体之一，二氧化碳尤其重要，原因在于它是导致全球变暖的“温室气体”之一。政府规定中越来越关注二氧化碳排放量的量化。为了符合这种规定，天然气生产商越来越关注他们从井中泵出的二氧化碳的量。

为减小天然气气流量测量中的不确定性，已经完成的事情之一是：通过分析来自给定井的气体样本来获得精确气体组成。通常在井寿命的开始以一定的规律性获得这些样本。然而，随着越发明显地可以认为气体组成是固定的，采样频率降低。值得注意的是，气体组成是通过以下方法获得的：将气体样本采集到实验室，并用气体色谱仪或其他这样的设备对其进行分析。得到的组成即被认为是“干燥气体”组成。这意味着气体中不存在水蒸气含量。在天然气产业AGA(美国气体协会)第8号报告中使用的状态等式可以考虑水蒸气。然而，这很少包括在气体组成报告中。事实上，AGA第8号报告中给出的六种示例组成都不包含水含量。

随着井中的气压由于现场中气体的消耗而随时间降低，诸如蒸汽喷射的测量通常用于从地面强力推出气体和油。当完成这一点时，产生的气体现在除干燥气体组成中存在的气体之外，还包含水蒸气。这意味着在给定体积内，一些干燥气体被水蒸气替代。由于流率是基于干燥气体组成测量的，所以测量将夸大包括二氧化碳在内的所有气体的量。

发明内容

一种用于测量气体中饱和水蒸气的浓度的系统，包括被配置为感测气体的静态气压的气压传感器，以及被配置为感测压差的压差传感器。温度传感器感测气体的温度。电路基于测量的气压和温度确定气体中水蒸气的浓度。

该发明内容和说明书摘要提供了将在具体实施方式中详细说明的简化形式的本发明的理念的选择。发明内容和说明书摘要不意图标明所请求保护主题的关键特征或基本特征，也不意图用于确定所请求保护主题的范围。

附图说明

图1是用于确定质量流的迭代技术的简化框图。

图2是用于确定水蒸气和气体的浓度的系统的简化框图。

图3是用于测量过程流体的流量，并基于确定的水蒸气浓度对测量进行补偿的系统示意图。

具体实施方式

过程变量变送器被用于测量工业过程中的过程变量。一种类型的过程变量变送器测量可能与过程流体的流量相关联的由过程流体的流量产生的压差。当被用于测量“干燥气体”(其中不存在水或水蒸气)时，可以执行标准测量技术。然而，当测量“湿润气体”的流量时，由于不考虑水蒸气含量，所以在测量中引入了误差。如本文中所使用的，术语“湿润气体”指的是仅以气相而不以液相包含水蒸气的气体。在饱和蒸气条件下存在水蒸气。水蒸气将在气体组成的过程变量的测量中(例如气体的单独成分的流量的确定中)引入误差。例如，在存在水蒸气时，在大多数情况下，原始流量测量将指示流动气体的量大于它的实际量。然而，不存在基于气体混合物中存在的水蒸气量的假设精确调整流率和流总(flowtotal)的简单方式。

现有技术中已知用于确定气体流量的技术。例如，可以基于确定的压差、气压、温度和管道直径来确定以质量/单位时间为单位的质量流量(Q_m)。质量流量可以通过缩放因子转换为期望单位，例如每小时的磅数或每天的千克数。标准体积流率(Qv)是以质量/单位时间为单位的质量流率除以参考或标准条件下的流体密度。因此，这是用标准立方英尺/单位时间为单位表达的质量流量。能量流量代表每单位时间提供的能量的量，并且在例如蒸汽和天然气系统中使用。针对蒸汽，能量流量是天然气的焓，能量流量与加热值有关。

具有饱和水蒸气的天然气的质量流率

当使用质量流量单位(lbm/单位时间)时，流量公式为：

其中：

N₁＝单位转换因子

C_d＝孔排出系数

β＝d_orifice/D_pipe

d＝孔直径

Y₁＝气体膨胀因子

DP＝压差

P_f＝流动条件下的绝对静态流体气压

T_f＝流动条件下的绝对流体温度

Mr_wv＝具有水蒸气的气体混合物的并且是气压(P_f)和温度(T_f)的函数的分子量。

R＝气体常数

Z_f__wv＝具有水蒸气的气体混合物的并且是气压(P_f)和温度(T_f)的函数的流动压缩能力因子

通过为其它参数选择的单位以及为流率选择的时间基础来设置N₁的值。[]中的项将是如果需要使用曲线拟合近似计算的参数。

在常规应用中，气体混合物不变。基于干燥气体的摩尔分数，干燥气体混合物的分子量为：

当存在饱和水蒸气时，基于水蒸气的饱和气压计算水蒸气的摩尔分数：

x_H2O(P_f,T_f)＝P_satH2O/P_f 式3

通过使用水蒸气的摩尔分数，干燥成分的经过校正的摩尔分数是：

x_{i_corr}(P_f，T_f)＝{1-x_H2O(P_f,T_f)}x_{i_dry} 式4

从而，具有水蒸气的气体的分子量的式是：

具有饱和水蒸气的天然气的标准体积流率

当使用标准体积质量流量单位(标准体积/单位时间)时，流量公式为：

其中：

N₂＝单位转换因子

C_d＝孔排出系数

β＝d_orifice/D_pipe

d＝孔直径

Y₁＝气体膨胀因子

DP＝压差

P_f＝流动条件下的绝对静态流体气压

T_f＝流动条件下的绝对流体温度

Mr_wv＝具有水蒸气的气体混合物的分子量

Mr_air＝空气的分子量(常数)

Z_{f_wv}＝具有水蒸气的气体混合物的压缩能力因子

Z_{b_air}＝空气的基本压缩能力因子(常数)

Z_{b_wv}＝具有水蒸气的气体混合物的基本压缩能力因子

通过为其它参数选择的单位以及为流率选择的时间基础来设置N₂的值。一些项，例如[ ]中的项，将是如果需要使用曲线拟合近似计算的参数。

关于质量流率，饱和水蒸气的存在改变每个气压和温度处混合物的组成，并使用相同关系来调整摩尔分数。

存在饱和水蒸气条件下的流量计算

当水蒸气存在于气体混合物中但不在流量计算中加以考虑时，结果通常是过度报告(over-reporting)干燥气体组成中存在的各种气体种类的流率。在一些情况下，用户甚至评估了针对释放到大气层中的成分的量的细粉(fines)。因此，需要考虑水蒸气，并减少必须报告的其他成分的量。通常以这些成分的lbm/天为单位来完成报告。

当以lbm/单位时间为单位来计算流率时，如下计算确定每天排出多少个lbm的成分：

1.基于P_f和T_f的值，计算水蒸气的摩尔分数x_H2O。

2.按照式4调整每个成分的摩尔分数。

3.然后，使用式5计算混合物的分子量。

4.使用下式计算每个成分的质量分数。

5.使用下式计算期望成分的质量流量。

Q_{m_i}＝Q_m×MF_i 式8

当采用标准体积/单位时间计算流率时，针对每个成分确定1bm/单位时间更为复杂。考虑到各种成分的体积分数和调整后的摩尔分数相同，第一步骤是直接的。

1.如下计算第i种成分的体积分数：使用下式计算每种成分的质量分数：

VF_i＝x_i-corr 式9

2.如下计算给定成分的体积流量：

Q_{V_i}＝VF_i×Q_V 式10

3.为将Q_{v_i}的单位从StdCuFt/单位时间转换为lbm/单位时间，乘以成分的基本密度。校正方法使用真实气体定律，真实气体定律需要对于每个气压和温度不同的基本压缩能力因子。如果需要，这可以经由曲线拟合近似来计算。然后，第i种成分的质量流量可以被计算为：

4.如果基本压缩能力因子是不可用的，则可以使用总是导致负偏置误差的理想气体定律来估计质量流量。用于该计算的表达式为：

具有饱和水蒸气的干燥分数的质量流率

一种用于计算成分的质量流率的简化方法包括：在首先针对水蒸气含量对干燥气体的成分进行校正之后，仅计算干燥气体的成分的质量流率。换言之，该方法涉及如上所述对水蒸气进行校正，并然后缩放该结果，以仅产生由于干燥气体组成中的成分导致的分数。通过乘以其他成分的质量分数，该方法基本从水蒸气质量流量计算出总质量流率和因子。

优选方法将针对质量流率作出上述计算，并且然后乘以干燥气体成分的质量分数。这将给出：

以及：

第二方法旨在使用下式在流量计算算法中包括该调整：

求和中的N个项是干燥气体组成中的N个成分。在这些公式中，[]中的项将同样是使用曲线拟合近似计算的参数。在其内侧的{}中的项仅仅是干燥气组成中成分中的质量分数。

当完成了这一点时，使用成分的质量分数和干燥气体组成的分子量易于计算每个成分的质量流量，参数通常具备来自气体色谱仪的干燥气体组成。然后，计算简单地是：

第二方法将导致较小的误差，原因在于密度不是正确的密度值。

该方法也适用于标准体积计算方法，但仍存在与基本密度相关的问题。

为确定质量流量，可以使用图1中所示的迭代技术来计算排出系数。图1中所示的流程图100开始于块102处，在块102中通过算法接收过程变量。过程变量包括温度、气压和压差。在块102，计算因子A，因子A表示式1中将在被用于计算质量流量Q_m的交互计算期间保持不变的部分。在块104，设置初始排出系数C_d以及被标识为“校验”的期望收敛精度。在块106，将校验值与期望收敛精度进行比较。如果校验值在期望收敛范围以外，则控制传递至块108，在块108中计算质量流量Q_m的初始值。在块110，雷诺数R_D被计算为质量流量Q_m的函数。值的注意的是，恒定值22737.47基于以lb/sec为单位的Q_m、以英寸为单位的D、以厘泊为单位的μ以及以lb/ft³为单位的ρ。然后在块112处计算新的排出系数值，其是雷诺数以及β和D的函数，β是d_orifice/D_pipe并且D是管的直径。在块114，作为新近计算的排出系数的函数，计算了新校验值，以确定所示解是否充分收敛。然后，控制返回块106，并且重复该过程直至解已经如期望的那样收敛为止。一旦收敛，控制传送至块116，在块116中确定质量流量Q_m的最终值。

本发明可以使用例如配置软件应用来实现，以计算用于气体混合压缩能力因子计算的曲线拟合系数和作为根据气压和温度的函数的摩尔质量项。事实上流量计算需要密度的均方根，用于曲线拟合的参数是：

在式17中，项M_r是气体混合物的摩尔质量并作为气压和温度的函数而改变。Z项是压缩能力因子，其是气体组成、气压和温度的函数。

存在可以向用户存在选项和结果的多种方式。由于存在现有配置软件，例如用于3051SMV多变量变送器的工程助手(EA)软件(可以从Emerson Process Management ofShakopee(MN)获得)，用户习惯于提供干燥气体组成，并使用3051SMV基于干燥气体组成来计算流率、能量率和流总。一种简单的实施方式将是向EA中的现有流体组成屏幕添加诸如软键或其他输入的按钮。该按钮或其他这种选择选项将使用户针对水蒸气的存在而对流量计算进行校正。

另一示例实施方式为用户提供了特定过程条件下校正的气体组成和干燥组成的显示。备选地，作为输出，可以显示或提供作为气压和温度的函数显示针对任意指定组成的校正因子的图表。变送器或其他流量计算机可以提供针对未校正的和校正后的流量计算的记录数据。记录数据可以包括针对未校正的条件和校正后的条件二者的P、T、Z、流率、能量率和校正因子。

可以用各种配置实现本发明。图2是用于补偿由于气体中的水蒸气导致的流量测量的系统200的简化框图。系统200包括分别被配置为感测过程流体的气压和温度的气压传感器202和温度传感器204。还示出了可以用于测量过程流体的流量的压差传感器205。传感器电路206将来自气压传感器202和温度传感器204的输出转换为由微处理器208使用的数字值。微处理器208根据存储器210中存储的指令来操作，并使用输入/输出电路212进行通信。可以用诸如现场设备的单个设备来实现系统200。示例现场设备是过程变量变送器。在另一配置中，用以下分散配置来实现系统200：其中现场中放置的过程变量传感器被用于获得气压和温度测量，并在另一位置(例如，在诸如控制室等的中央位置)实现微处理器208。在一种配置中，存储器210存储曲线拟合系数214。曲线拟合系数214可以如上所述用于使用依赖于曲线拟合的低功率实施方式来确定气体中的水蒸气浓度。如果有足够的功率可用，可以直接计算水蒸气浓度。通常，传感器电路206、微处理器208和存储器210被称为“测量电路”。如果气压传感器202也被配置为测量压差，可以根据节流阀(restriction)两端的压差的函数来计算气体流率。在这种配置中，流量测量可以针对气体中的水蒸气进行补偿。

图3是系统200的一种配置的简化框图，在系统200中过程变量变送器300被安装至过程管道302并被布置为测量节流阀304两端的压差。压差与通过节流阀304的过程流体305的流量有关。过程流体包括包含有水蒸气的气体。过程变量变送器通过例如双线过程控制环路312的过程控制环路来与例如控制室310的中心位置通信。在这种配置中，同一控制环路312既可以用于通信也可以用于为过程变量变送器300供电。控制室被示为包括电源312和感测电阻器314。示出了监测或配置系统320，并被配置为使用I/O电路322通过双线过程控制环路312来通信。系统320包括根据存储器326中所存储的指令来操作的微处理器324。显示器328是与由操作者使用的用户输入330一起提供的。在这种配置中，可以在变送器300中实现图2中所示的微处理器208和存储器210。系统320可以用于在过程变量变送器300的配置阶段期间将曲线拟合系数214存储到存储器210中。在另一配置中，微处理器324可以用于直接执行气体305中水蒸气浓度的确定。在另一示例配置中，单元310包括配置设备，例如手持配置器或控制室设备。这种设备310可以用于将曲线拟合系数214存储到图2中所示的存储器210中。

如所论述的，管道中水蒸气的存在改变了气体中所有组分的摩尔分数。本发明提供了用户可以用来对该减少进行量化的系统和方法。基于PC的配置软件可以提供用于计算参数以校正计算出的干燥天然气混合物的流的选项。还可以提供基于变送器的计算，用于针对混合物中水蒸气的影响来校正计算出的天然气混合物的流。变送器计算干燥且正确的天然气混合物的流率。变送器可以提供天然气混合物的干燥和校正的流率的记录数据。变送器提供针对二氧化碳的校正因子的记录数据。基于PC的配置软件提供了选择针对哪个气体成分在屏幕上提供校正因子并存储到存储器中的选项。该信息被提供为气压和温度的函数。以上特征也可以用具有计算功率以执行直接计算的流计算机来实现。用于测量气体流的系统包括压差传感器，被配置为感测与流相关的气体的压差。测量电路被配置为基于压差测量气体的流量，并针对气体中的水蒸气进行补偿。用于测量气体中水蒸气浓度的系统包括气压传感器，被配置为感测气体的气压。测量电路被配置为基于测量的气压和温度确定气体中水蒸气的浓度。

虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将会认识到的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的修改。曲线拟合可以根据包括多项式曲线拟合的任意技术。

过程控制环路312可以根据任意通信技术实现，包括其中例如根据其中将数字信息调制到4-20mA电流上的

通信协议、Foundation Fieldbus通信协议或Profibus通信协议等来无线地发送数据的无线过程控制环路。也可以使用无线通信技术实现过程控制环路18。无线通信技术的一个示例是根据IEC 62591的无线

通信协议。还可以实现其他类型的控制环路，包括那些使用包括以太网连接或其他现场总线通信技术的控制环路。如本文所使用的，术语测量电路可以包括微处理器、传感器电路和/或存储器。可以在单个位置(例如在过程变量变送器中)，或者可以在分散的位置中(例如部分地在过程变量变送器中并且部分在例如流计算机和控制室的远程位置中)实现测量电路。类似地，可以在远程位置整体实现测量电路。尽管具体参照气体中的CO₂，本发明适用于气体中的任意组成并且不限于本文阐述的特定示例。

Claims (19)

1.一种用于测量和校正包含饱和水蒸气的气体的流量测量的系统，包括：

气压传感器，被配置为感测所述气体的气压；

压差传感器，被配置为感测与所述气体的流量有关的压差；

温度传感器，被配置为感测所述气体的温度；以及

测量电路，被配置为基于所测量的气压、压差和温度通过提供针对所述气体中的饱和水蒸气进行了补偿的气体的流量测量来校正所述气体的流量测量，其中通过以下操作来针对所述饱和水蒸气对气体的流量测量进行补偿：基于水蒸气的摩尔分数来校正气体的干燥成分的摩尔分数，使用经校正的气体的干燥成分的摩尔分数来确定具有水蒸气的气体的分子量，以及使用具有水蒸气的气体的分子量来产生针对所述饱和水蒸气进行了补偿的气体的流量测量；以及

监测系统，用来提供所述气体的经过补偿的流量测量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，气压传感器、压差传感器和温度传感器以及测量电路实现于过程变量变送器中。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，气压传感器、压差传感器和温度传感器实现于过程变量变送器中，并且测量电路实现于远程位置处。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述测量电路通过过程控制环路与所述过程变量变送器通信。

5.根据权利要求1所述的系统，包括：存储器，存储曲线拟合系数，以及，所述测量电路从所述存储器获取所述曲线拟合系数，以确定所述气体中的水蒸气浓度。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体中水蒸气的浓度是使用直接计算确定的。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气压传感器、温度传感器和测量电路实现于过程变量变送器中，所述系统还包括用于通过在所述过程变量变送器的存储器中存储曲线拟合系数来配置所述过程变量变送器的设备。

8.根据权利要求1所述的系统，包括：存储器，用来记录与所述气体的流率有关的数据。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所记录的数据包括干燥气体流率。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所记录的数据包括干燥气体校正后的流率。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述测量电路为气体中的期望成分确定校正因子。

12.根据权利要求11所述的系统，包括：存储器，将所述校正因子的记录数据存储到存储器中。

13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述设备包括：用户输入，用于选择所述气体中提供有校正因子的期望成分。

14.根据权利要求5所述的系统，其中，所述曲线拟合系数包括多项式系数。

15.根据权利要求1所述的系统，包括：节流阀，位于所述气体的流中，其中，所述压差传感器测量在所述节流阀两端产生的压差。

16.根据权利要求1所述的系统，包括：显示器，用于显示与所确定的流量有关的信息。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述测量电路提供对校正后的流率的输出指示。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所确定的流量包括质量流率。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所确定的流量包括标准体积流率。

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