對超聲流量計性能的工業(yè)研究評估

    一、前言

    超聲流量計是通過(guò)測量超聲波脈沖在流體中的傳播時(shí)間導出氣體體積流量的。對于1臺超聲流量計，由于確定流量準確度是流量計設計和計算方法、上游管道要求的函數，這不同于許多傳統的測量方法。

    舉例，孔板流量計測量流量，對已確定的流出系數的準確度之內，要求對稱(chēng)，無(wú)旋渦流。為了得到已公布的流量測量的性能，AGA 3號報告建議了最小的直管段長(cháng)度、管徑的變化、孔板流量計上游的安裝要求。當孔板流量計規格（β比）增加，由于減少了流量堵塞，使孔板對速度剖面的整型作用也減小了，其對流體干擾的敏感度也增加了。

    渦輪流量計因流體對轉子的作用也改進(jìn)了流動(dòng)剖面。由于進(jìn)口流動(dòng)剖面的改進(jìn)，使渦輪流量計的性能也得到了改進(jìn)。由于渦輪流量計對速度剖面的非對稱(chēng)性敏感，為此，AGA7號報告要求渦輪流量計使用整流器以消除進(jìn)口的流動(dòng)旋渦。

    由于超聲波流量計基本上沒(méi)有影響人口流動(dòng)的障礙物，流量計不會(huì )改變流動(dòng)剖面，這種流量計根據流量計取得的流動(dòng)樣，依據可靠的計算方法準確地確定流量。

    在多聲道超聲流量計的設計中，制造者嘗試對流量計進(jìn)行優(yōu)化以降低它們對流動(dòng)干擾的敏感。如果流量計可以對所有的流動(dòng)干擾做修正補償，那么，就可以不用整流器了。然而，由于有少量已發(fā)表的有關(guān)整流器如何影響多聲道超聲流量計性能的資料，對整流器與超聲流量計聯(lián)合應用仍有興趣。根據其它型式的流量計的應用經(jīng)驗，整流器意味著(zhù)潛在的效益。

    作為一個(gè)替代多聲道流量計的有效益的方案，與價(jià)格便宜的單聲道超聲波流量計一起使用整流器也是有意義的。另外，有少量可靠的試驗數據證實(shí)了使用整流器的單聲道流量計的性能。

    這些結果得自第一部分試驗，這些試驗試圖確定8in單聲道和多聲道超聲流量計以不同配管安裝和當與1臺整流器聯(lián)合使用的實(shí)用經(jīng)驗。這個(gè)試驗是在試驗流量計上游設置一個(gè)彎管或兩個(gè)彎管，并且在流量計加裝或不裝整流器的情況下運行的。

    進(jìn)一步的試驗是打算評估雙向流量計測量性能和流量低于流量計能力1%時(shí)的流量測量準確度。在流體可以是雙向流動(dòng)的地方，如地下儲氣設施，計劃安裝超聲流量計的人們對雙向測量性能是關(guān)注的。

    對于一個(gè)計量站的安裝，需要確定流量計的數量和口徑，因為量程比的原因，低流量的測量性能也應關(guān)注。

    二、試驗方法

    流量計安裝在高壓環(huán)路（HPL）的測試管段上，試驗介質(zhì)為輸送級的天然氣。同時(shí)收集超聲流量計和HPL上的臨界流噴嘴組上的數據，它們作為流量標準。

    在不同的壓力下，5個(gè)雙加權的音速?lài)娮煜鄬τ贖PL稱(chēng)重罐系統進(jìn)行現場(chǎng)校準。所有的校準，由1臺在線(xiàn)氣相色譜儀和 AGA 8號報告狀態(tài)方程確定氣體性質(zhì)。

    與HPL的參比壓力相關(guān)的靜壓，在1臺流量計下游兩倍管徑處測量。氣體溫度在每臺流量計下游三倍管徑處測量。測量的溫度和壓力與測得的氣體組分和超聲流量計測出的氣體體積一起被用于計算超聲流量計的質(zhì)量流量，這個(gè)質(zhì)量流量再用來(lái)與臨界流噴嘴確定的流量進(jìn)行比較。

    根據制造廠(chǎng)選用的方案，超聲流量計可以用不同的方法得到體積流量。流量計M3和M4內部的校準方法用來(lái)計算總的氣體體積和運行期間的時(shí)間。然后根據總的量計算平均流量。

    流量計M1和M2報告（測量）實(shí)際流量，每秒提供一次流量值，確定平均體積流量。單個(gè)通道的狀態(tài)、速度和聲速數據也被記錄。

    典型的測試系統由通過(guò)流動(dòng)環(huán)道的可循環(huán)氣體構成，并達到氣體溫度和壓力穩定，選擇和切換不同的音速?lài)娮旖M合確定穩定的流量。一個(gè)測試點(diǎn)由流量和其它度量90s周期內計算的平均值組成。一個(gè)測試點(diǎn)要重復6次以計算平均值和標準偏差。測量數據同時(shí)也由2臺渦輪流量計采集。渦輪流量計的數據確認實(shí)驗的一致性。

    用于本次試驗的4臺流量計由制造廠(chǎng)提供，它們都是可商業(yè)化的。在本項目試驗前沒(méi)有做過(guò)流量校準。4臺流量計有2臺多聲道的，有2臺單聲道的。表1給出了流量計聲道布置情況。

表1 測試流詛計幾何參數

    所有流量計制造成統一的法蘭至法蘭尺寸（31.5in長(cháng)度）和內徑（在0.005in之內）以方便不同安裝位置的流量計交換。制造廠(chǎng)家提供了根據專(zhuān)用程序對機械、電子和其它測量的流量計設定參數。在測試的時(shí)候，用與流量計的剖面修正參數由制造廠(chǎng)家檢查。有關(guān)測試條件的特殊參數（用于流量計內部的電子學(xué)的流體性質(zhì)）根據需要每次進(jìn)行調整。

    三、基本測試安裝

    基本測試的管線(xiàn)安裝示于圖1。所有的配管由8in內徑的40號碳鋼管（7.981in內徑）制成，內部焊縫磨光。測試的流量計安裝在90o長(cháng)徑彎頭下游40D（D＝8in）、59D、97D處。彎頭的上游安裝一個(gè)12in×16in×10in的Sprenkle流束整流器，整流器之后是一個(gè)10in×8in的同心大小頭和43D 8in直管段直到彎頭。每臺流量計可在四個(gè)軸向位置中的兩個(gè)進(jìn)行測試（見(jiàn)表2）。

表2 流量計在基準條件下的測試位置

圖1 基本流量測試的管線(xiàn)安裝

    對每一臺流量計的完整的測試計劃，要求在4個(gè)位置上都要進(jìn)行測試。當流量計以一個(gè)軸向安裝位置移到另一個(gè)位置時(shí)，上游和下游的直管段（分別是10D和5D）應與流量計一起整體拆卸，以使連接流量計上游和下游的法蘭對中。與每一臺流量計有關(guān)的壓力和溫度變送器，在流量計位置變換時(shí)也應保留在原直管段上以便減少附加誤差。

    四、基本測試結果

    2臺多聲道流量計（M1和M3）在基準安裝條件下的測試性能示于圖2和圖3。結果以百分誤差表示（相對于 MRFHPL臨界流噴嘴），其作為通過(guò)流量計的平均流速的函數。一個(gè)點(diǎn)代表了每個(gè)流量下6個(gè)重復測量的平均值，誤差帶表示95%置信水平。

    對于流量計M1，在速度大于10ft/s時(shí)，所有的數據均落于0.4%范圍之內，與速度無(wú)關(guān)（見(jiàn)圖2）。 在流速低于10 ft/s時(shí)，誤差曲線(xiàn)向上偏轉，這可能是一個(gè)正向的零偏差或者修正算法的偏離引起的，這不能完全認為是低流量下的速度剖面不同所造成的，或許是兩種影響的合成。

    檢查流量計的零流量，指示出零點(diǎn)飄移量為0.01ft/s。如果去掉零飄移，向上的偏轉將會(huì )被拉平，由于最小的速度點(diǎn)（2.8ft/s）飄移為0.35%而在5.6ft/s的點(diǎn)飄移為0.18%。無(wú)論如何，這說(shuō)明不能認為曲線(xiàn)向上偏轉完全是零點(diǎn)飄移引起的。

圖2 多聲道流量計M1的基本流量測量結果

圖3 多聲道流量計M3的基本測量結果

    檢查流量較準曲線(xiàn)，顯示出當流量計安裝在97D處和安裝在59D處測量的誤差之間有大約0.2%的差值。在97D處的誤差比59D處的誤差數值大（更向負方向）。類(lèi)似的測量誤差也存在于 400 lb/in²（A）和 900lb/in²（A）的測試情況之中。

    流量計M3的測量誤差與流經(jīng)流量計的速度有關(guān)，示于圖3。這臺流量計測量誤差的非線(xiàn)性特征不同于先前在MRF（Grimly）和其它地方（Van Bloemendaal和Van der Kam完成）做過(guò)的12in流量計的類(lèi)似的實(shí)驗所觀(guān)察的結果。只有流量計安裝在59D處，在壓力400lb/in²（A）狀態(tài)下收集到的數據，平均流速還在10ft/s以上時(shí)，誤差落在0.3%范圍之內，當速度增大時(shí)誤差曲線(xiàn)向下傾斜。

    在59D、400lb/in²（A）數據組中，個(gè)別聲道狀態(tài)信息表明，這是因為被測量的傳播時(shí)間不能通過(guò)內一致性檢查。這可能就是與其它數據組有偏差的原因。

    數據，包括可疑的數據組，在速度10ft/s以上時(shí)，保持在0.5%誤差以?xún)�，這些數據也表明，當壓力從400lb/in²（A）增到900lb/in²（A）時(shí)流量測量差值為0.2%。當流量計在59D與97D處比較，壓力在900 lb/in²（A）時(shí)的現量結果差值為0.1%。

    對于該差值的可能解釋是，在59D以后速度剖面繼續發(fā)展。通過(guò)單個(gè)聲道速度比的比較，可以看出速度剖面形狀改善。表3表示的是流量計M1在最大流量點(diǎn)，中心聲道速度（超聲聲道在管線(xiàn)軸中心線(xiàn)）對外部聲道速度的比值。流量計M3的類(lèi)似的計算值示于表4。由于流量計具有唯一的聲道位置，對于不同的流量計型式不應該進(jìn)行比較。

    然而，2臺流量計在59D和97D的試驗結果之間存在著(zhù)一致性的差別。59D試驗數據的較小比值說(shuō)明了該處的速度剖面比97D處的速度剖面具有較小的弧度。流量計的響應性的差別也會(huì )有一個(gè)剖面靈敏性的結果。對速度剖面進(jìn)行測量的目的是更好地特性化在基準安裝條件下的速度剖面。

表3 M1中心到外部的速度

表4 M3中心聲道到外部聲道的速度比

    單聲道流量計M2（見(jiàn)圖4）安裝在78D處時(shí)有大約-1.2%的偏移；安裝在40D處有大約-1.8%的偏移，這臺流量計的結果說(shuō)明，在流量測量中的誤差值與壓力無(wú)關(guān)，但與軸向位置有關(guān)。單聲道流量計M4在兩個(gè)軸向位置和兩個(gè)操作壓力的測試誤差曲線(xiàn)表示于圖5中。曲線(xiàn)表明有一個(gè)0.5%的平均偏差，這也表明，在線(xiàn)壓力比90o彎頭和流量計之間的距離對測量結果影響更大。

圖4 單聲道流量計M2的基本測量結果

圖5 單聲道流量計M4的基本流量測量結果

    誤差曲線(xiàn)表明了速度在10ft/s以下，在400 lb/in2 (A)、78D處的數據大的偏差與其它結果的不一致性。通常，單聲道流量計的測量數據比多聲道流量計測量的數據更分散。由于這種流量計不具有多聲道超聲流量計平均氣流的優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)分散是不奇怪的。單聲道流量計的這一特性在流量低于10ft/s時(shí)尤為明顯。

    五、安裝對測試的影響

    到目前已經(jīng)實(shí)施的影響測試的安裝工藝示于圖6。單聲道流量計在兩個(gè)不同的位置1和2（一個(gè)單90o長(cháng)徑L形彎管下游10D和19D）進(jìn)行測試。多聲道流量計在兩個(gè)平面布置的彎頭下游，在位置3和4（第二個(gè)L形彎管下游10D和19D處）進(jìn)行測試。

    測試管線(xiàn)為裸管，在位置3和4上游安裝有2臺不同的流束整流器。第一臺流量計位于整流器出口下游5D處，這符合AGA 7號報告對渦輪流量計安裝的最低要求。另外，多聲道流量計的測試中，兩個(gè)平面彎頭的布置是與管道成水平方向設置的。由于這種布置代表著(zhù)一種安裝形式，即彎頭提供了一個(gè)豎直的偏移，故流量計要旋轉90o以保持其測量聲道與流動(dòng)干擾的相對正確方位。

圖6 初期用于上游流量影響測試的管線(xiàn)布置

    六、安裝對測試結果的影響

    這些結果以與基準條件下的測試結果的偏差形式報告出來(lái)。

    對于多聲道流量計M1和M3，流量計安裝在單90o彎管下游97D處取得的數據結果代表基準條件下的測試結果。單聲道流量計M2和M4，流量計安裝在90o彎管下游78D處，取得的結果用于基準條件下的測試結果�；鶞蕳l件下的測試結果是一個(gè)最接近優(yōu)化的工藝安裝所能得到的結果。

    多聲道流量計M1在兩個(gè)平面彎頭下游10D處測試的結果示于圖7。測試結果表明，裸管安裝產(chǎn)生的測量誤差在基本測量結果的0.5%范圍之內，相對誤差在0.3%～0.5%量級。相對誤差出現在高氣體流速情況。流量計安裝在第二個(gè)彎管下游10D處，配備有19管束整流器和GFC型整流器的測試結果沒(méi)有明顯的差別。在速度20ft/s以上，兩種整流器降低相對誤差至少到0.25%。

圖7 同一平面內相距10D的兩個(gè)彎頭下游10D的多相流量計M1的相關(guān)性能

    對于速度20ft/s以下，所有的結果趨于收斂，這表明流量計要么是對安裝布置產(chǎn)生的速度剖面敏感，要么是在這個(gè)速度范圍內的速度剖面影響沒(méi)有明顯的差別。所計劃的速度剖面的測定將有助于解釋這些結果，它也將進(jìn)一步對已經(jīng)收集的與單一聲道速度比有關(guān)的數據進(jìn)行解釋。

    安裝在兩個(gè)平面彎頭下游19D的流量計M1的測試結果示于圖8。裸管和19管束整流器的結果相對測量誤差都約為0.5%。當流量計安裝在彎管下游19D處裸管測量的誤差比流量計安裝在10D處的誤差稍微大一些，在10ft/s速度以上，與GFC一起安裝的測量結果與基準條件下的測試結果相比較在0.l%之內。另外，低流速時(shí)，測量結果收斂。

圖8 同一平面內相距10D的兩個(gè)彎頭下游19D的多相流量計M1的相關(guān)性能

    安裝在雙彎頭下游的多聲道流量計M3的測試結果（見(jiàn)圖9）表明，對于裸管，當速度大于20ft/s，M3的誤差小于0.25%。19管束整流器和GFC整流器結果將裸管的測量結果包括在內，具有-0.30%～25%的差值。相對誤差隨著(zhù)流動(dòng)速度的變化是由在97D、400 lb/in2（A）處基準條件下的測試數據（見(jiàn)圖3）的弧度引起的。

圖9 同一平面內相距10D的兩個(gè)彎頭下游10D的多相流量計M3的相關(guān)性能

    由安裝在19D處的流量計M3測試的裸管安裝條件下的結果示于圖10中，與10D位置的流量計數據相比偏移了大約0.2%，并且在20 ft/s速度以上，仍保持在基本測試結果的 0.25%之內。除了最高流速以外，19管束整流器的數據接近一致。對于氣流速度45 ft/s以上，GFC產(chǎn)生的測量誤差比19管束整流器和裸管更接近于基準安裝條件下的誤差。

圖10 同一平面內相距10D的兩個(gè)彎頭下游19D的多相流量計M3的相關(guān)性能

    由圖7至圖10的測試結果表明，對多聲道超聲流量計使用整流器有一定益處，這取決于流量計的型式和位置。上面有些情況相對于基準條件下的測試誤差偏移會(huì )引起這樣的絕對誤差，這些絕對誤差實(shí)際上比基準條件下的結果更接近于零誤差。這個(gè)結果是由意外引起的還是流量計研究中因不夠理想的速度剖面引起的尚不清楚。           

    在一個(gè)90o長(cháng)徑彎管下游10D和19D處安裝的單聲道流量計的測試結果示于圖11。測量結果表明誤差偏移相對于安裝在90o彎頭下游78D處的基準條件下的測試誤差約2%～2.2%。流量計繞軸線(xiàn)旋轉90o產(chǎn)生的附加誤差偏移為1.3%。

圖11 單個(gè)90o個(gè)彎頭下游單聲道流量計M2的相關(guān)性能

圖12 單個(gè)90o個(gè)彎頭下游單聲道流量計M4的相關(guān)性能

    因為在這一例子中，單聲道流量計以其正常方位安裝，它的聲道與垂直方向成30o，很可能與流量計的安裝方位有關(guān)。在這種安裝中，流動(dòng)的非對稱(chēng)主要分量在垂直平面內，當流量計旋轉90o時(shí)，相對于流動(dòng)干擾的聲道方位發(fā)生了變化。
安裝在彎頭下游19D的流量計M4除了90o位置外，相對于基準條件下的偏移約為1.5%～2%，結果示于圖12。由于測量聲道與垂直方向成45o應該是這一原因，這臺流量計的測試結果說(shuō)明與其位置基本無(wú)關(guān)。在這種情況，盡管當流量計機體的軸中心發(fā)生偏轉，聲道位置相對于流動(dòng)干擾仍保持一致。

    七、結論

    基準條件下的測試說(shuō)明，在一個(gè)長(cháng)徑90o彎頭下游59D處流體速度剖面沒(méi)有充分發(fā)展，測試的流量計對隨后的發(fā)展中的速度剖面敏感。這表明測試的8in流量計的準確度可以通過(guò)流量校準得以改善。

    8in的多聲道流量計的測試結果表明，使用整流器對改進(jìn)測量準確度具有潛在好處。

    單聲道流量計測試表明其具有潛能，在流場(chǎng)條件好的情況下，可以獲得優(yōu)于0.5%的測量準確度。通過(guò)安裝在一個(gè)單個(gè)的90o彎頭下游10D和19D處的流量計的測試說(shuō)明流量計對一個(gè)簡(jiǎn)單的擾流的敏感度。相對于基準條件下的測試，流量測量誤差范圍為1%～4%。

    實(shí)驗測試結果只是一個(gè)大的測試計劃的初步，對取得的數據和來(lái)自這個(gè)測試計劃其它的試驗資料進(jìn)行更加深人的分析，將獲得有關(guān)超聲流量計在高壓天然氣中應用性能的新認識。

    資料來(lái)源于《管道和天然氣工業(yè)》1998年12月