氣體超聲流量計的實(shí)流標定與現場(chǎng)應用

      天然氣計量系統與現狀

      目前，在中國天然氣計量系統中以孔板流量計為主。眾所周知，孔板流量計由節流裝置、導壓管路系統、差壓計組成。其特點(diǎn)是量程比小，壓損大，對脈動(dòng)流很敏感，不可以測雙向流等。雖然孔板流量計已有上百年的歷史，但由于計量?jì)x表誤差（節流裝置的設計、制造、安裝和使用條件不符合ISO5167-1^[1]的要求，或者儀表選擇不當）以及使用條件變化帶來(lái)的誤差（較長(cháng)時(shí)間內，流量的變化超出了所選儀表的測量范圍，或者脈動(dòng)流的產(chǎn)生），往往使孔板流量計的精度不能優(yōu)于±1.5%。盡管ISO/TR3313[2]已對脈動(dòng)流的抑制及誤差估 計提供一些數據供用戶(hù)使用參考，但要應付現場(chǎng)的需要仍有很多不足之處：

      ① 現場(chǎng)的阻流件類(lèi)型遠多于標準中提供的，并且阻流件的組合形式千變萬(wàn)化，因此現場(chǎng)仍有些問(wèn)題有待解決（如旋風(fēng)分離器、匯管在標準中就沒(méi)有規定）；
      ② 試驗研究需花費大量的人力、物力；
      ③ 采用整流管以縮短直管段長(cháng)度會(huì )帶來(lái)附加壓損，同時(shí)也會(huì )增加使用維護工作量�？装宀贿m于測脈動(dòng)流，因差壓信號與流量為非線(xiàn)性關(guān)系，引壓管線(xiàn)使信號遲滯及畸變，節流件對脈動(dòng)波產(chǎn)生障礙形成波的反射等^[3] 。

      由于上述影響孔板流量計貿易結算精度的因素多，造成天然氣輸送計量誤差達2%以上。如何改善與提高天然氣計量系統的精度是業(yè)內人士普遍關(guān)心的問(wèn)題，并相應開(kāi)發(fā)了大量的新型流量計。在諸多流量計中，通過(guò)中國天然氣流量計量站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)計量站）天然氣實(shí)流測試與現場(chǎng)應用，證明超聲流量計、智能型旋進(jìn)旋渦流量計效果較好，值得推廣使用。

      天然氣流量計量站概況

      中國石油工業(yè)天然氣流量計量站是亞洲投資規模最大的天然氣計量站，擁有質(zhì)量一時(shí)間法（mt）一級標準系統（其不確定度0.1%）和臨界流文丘利噴嘴次級標準系統（其不確定度0.25%）。標定壓力范圍：0.2～3.8MPa，標定工況流量范圍：5～6000m3/h。管徑范圍：DN25～DN400。迄今為止，對美國、荷蘭、德國、新加坡、中國等國各種流量計進(jìn)行了實(shí)流標定與比對，積累了數萬(wàn)個(gè)實(shí)驗數據。

      氣體超聲流量計的實(shí)流標定與現場(chǎng)應用

      1 實(shí)流標定

      計量站用不確定度為0.25%的臨界流文丘利噴嘴作流量標準裝置，按AGA.NO.9^［4］報告草案并結合JJGl98-94檢定規程[5]分別進(jìn)行了以下不同測試：

      ① 不同聲道（五、四、三、二、一）；
      ② 不同管徑（DN300、DN150）；
      ③ 不同安裝條件（理想管路條件、非理想管路條件；"理想條件"是指安裝條件較理想，如170D以?xún)葻o(wú)彎頭，無(wú)過(guò)渡部件，無(wú)阻力件等。流場(chǎng)較穩定，如無(wú)脈動(dòng)流，無(wú)旋渦流；"非理想條件"是指在超聲流量計上游13D前人為加入阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器、匯管等）；
      ④ 不同安裝方向（流量計正、反向安裝，聲道水平、垂直安裝）；
      ⑤ 不同壓力（2.0MPa、1.2MPa、0.8MPa）。

      （1）超聲流量計適宜于高壓、大口徑、大流量工況條件，但對小流量尤其是拐點(diǎn)（最大流量的10%，用Qt表示）以下流量段應慎用（見(jiàn)圖1）。

圖1 12"Q.Sonic-5S超聲流量計理想管路后和非理想管路后測試結果比較（標況）

      說(shuō)明：雙彎頭后測試中，除流量為240m3/h時(shí)，其相對示值誤差為1.45%外，其余各點(diǎn)都在指標內。

      （2）超聲流量計的計量不受氣體流向的影響，能以相同準確度進(jìn)行雙向流量計量（見(jiàn)圖2）。

圖2 12''4S超聲流量計理想管路下正、反向流量示值誤差比較圖
（流量計系數0.9962）

      （3）對同一生產(chǎn)廠(chǎng)家的超聲流量計，聲道數越多，流量計量準確度越高，性能越可靠（見(jiàn)表1）。

表1 相同條件下聲道數對超聲流量計的影響

      （4）超聲流量計的出廠(chǎng)檢定與實(shí)流標定之間存在一系統誤差，出廠(chǎng)干檢法檢定合格需經(jīng)實(shí)流校準，有時(shí)由于安裝造成的誤差可能超過(guò)0.3%。如4S超聲流量計其出廠(chǎng)時(shí)流量系數定為0.9962，在理想管路測試能保證精確度優(yōu)于±0.5%，但在非理想管路條件下實(shí)流校準設置的參數，在"理想管路條件"2.0MPa與0.7MPa壓力測試時(shí)，偏差大于A(yíng)GA.NO.9關(guān)于管路安裝影響不大于0.3%的規定，因此應根據現場(chǎng)工況條件進(jìn)行實(shí)流標定（見(jiàn)圖3）。

圖3 理想管路條件下流量系數調整前、后測試結果比較圖

      （5）DN300三聲道超聲流量計在"非理想管路條件"下和同等條件下的四聲道流量計測試結果可以看出，在流量計聲道出現故障時(shí)，能有效進(jìn)行診斷和補償（見(jiàn)圖4）。

圖4 超聲流量計非理想管路條件下0.8MPa壓力三聲道、四聲道工況流量相對示值誤差圖
（流程二，流量計系數=0.9962）

      （6）超聲流量計在"理想管路條件"下（超聲流量計上游直管段170D，下游直管段15D）2.0、1.2、0.8MPa壓力下，工況流量示值相對誤差略有不同，但流量相對示值誤差、重復性和峰間誤差均符合AGA.NO.9號報告要求，詳見(jiàn)圖5。說(shuō)明在超聲流量計入口無(wú)旋渦流，脈動(dòng)流情況下，在正常工作壓力范圍內，能保證精度優(yōu)于±0.5%。

圖5 超聲流量計理想管路條件正向流不同壓力工況流量相對示值誤差圖
（流量計系數=0.9962）

      2 現場(chǎng)應用

      本測試中的DN300五聲道超聲流量計與DN300 4S超聲流量計均在青白江站進(jìn)行了現場(chǎng)應用，并與孔板流量汁進(jìn)行了在線(xiàn)比對。實(shí)驗管路的工作壓力約0.9MPa（表壓），流量約為160萬(wàn)方/日（約相當于6000m3/h）；同時(shí)另一臺DN500 5S氣體超聲流量計和DN150單聲道氣體超聲流量計分別在北京集輸公司和四川德陽(yáng)進(jìn)行了現場(chǎng)應用；另外，氣體超聲流量計在克拉瑪依、長(cháng)慶油田等均進(jìn)行了現場(chǎng)應用[6]，結果共同表明其性能穩定、可靠，能適應壓力、流量具有一定波動(dòng)幅度的工況條件，流量計算機能自動(dòng)顯示瞬時(shí)流量、累積流量、壓力、溫度等各種參數，具有無(wú)壓損、可測脈動(dòng)流、自動(dòng)化程度高、現場(chǎng)使用操作簡(jiǎn)便、故障自診斷能力強、測量范圍寬、抗干擾能力強等特點(diǎn)。

      結論

      對大口徑、高流量的計量系統宜采用超聲流量計。超聲流量計計量準確度可優(yōu)于±0.5%，其具有準確度高、重復性好、量程比寬、抗干擾能力較強、維修量小、可測雙向流等特點(diǎn)。為保證計量系統精度，在現場(chǎng)使用前須經(jīng)實(shí)流測試校準，在Qt以下流量段應慎用。