多聲道超聲波流量計在“中-土”天然氣項目貿易計量中的應用

    土庫曼斯坦阿姆河右岸天然氣勘探開(kāi)發(fā)項目是中國和土庫曼斯坦兩國在能源領(lǐng)域合作的重大項目，也是中國石油天然氣集團公司（下稱(chēng)中石油）迄今為止最大規模的境外天然氣勘探開(kāi)發(fā)合作項目。阿姆河右岸區塊位于土庫曼斯坦東部，面積約1.43´10⁴km²，合同區分為A、B兩個(gè)區塊，合同期限為35a。該項目所生產(chǎn)的天然氣是中國西氣東輸二線(xiàn)的主供氣源，中國石油（土庫曼斯坦）阿姆河天然氣公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)阿姆河公司）于2009年底在A(yíng)區塊建成第一天然氣處理廠(chǎng)并一次投產(chǎn)成功，通過(guò)中亞天然氣管道將天然氣輸向中國。

    阿姆河公司外輸增壓計量站設計規模為130´10⁸m³/a，其功能是將天然氣處理廠(chǎng)來(lái)的凈化天然氣進(jìn)行過(guò)濾分離、增壓及貿易計量，然后輸送至中亞天然氣管道。鑒于國際貿易計量需要準確無(wú)誤、安全穩定[1-2]，因此采用了計量精度為±0.25%的德國RMG公司六聲道USZ08型氣體超聲波流量計用于貿易計量。

    1 多聲道超聲波流量計工作原理及特點(diǎn)

    1.1 工作原理

    RMG公司六聲道氣體超聲波流量計的工作原理是根據超聲波脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差來(lái)測量氣體流速，進(jìn)而計算工況下的氣體流量，詳見(jiàn)圖1。

圖1 六聲道USZ08型氣體超聲波流量計工作原理示意圖

    1.2 結構特點(diǎn)

    RMG公司六聲道超聲波流量計由測量元件（12個(gè)傳感器）、電子測量系統、殼體以及流量計算機等組成。每個(gè)傳感器都由一個(gè)壓電晶體安裝在鈦金屬外殼中組成，傳感器直接與殼體用法蘭聯(lián)接并且沒(méi)有伸到管道里，各聲道按流量計中心對稱(chēng)排列，所以可以用于雙向計量而不必修改或重新編程。每一個(gè)傳感器既是一個(gè)發(fā)射器同時(shí)也是一個(gè)接收器，也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測量，發(fā)射器就變成接收器，反之亦然，這樣，就消除了氣體類(lèi)型、壓力和溫度對聲速的影響。為了消除氣體流型的影響，一共使用了在3個(gè)平行平面的6個(gè)聲道來(lái)進(jìn)行測量，每個(gè)平行平面上，有2個(gè)聲道相互交叉（圖2）。聲道是根據高斯切比雪夫（Gauss-Chebyshev）理論進(jìn)行排列，所以甚至在不對稱(chēng)、渦流的情況下也可以保證對流速的最佳測量。

圖2 六通道排列示意圖

    直接安裝在流量計殼體上的電子測量系統用來(lái)控制傳感器、評估測量結果和為每個(gè)聲道計算流速，并與安裝在控制柜中的流量計算機進(jìn)行數字通信。在流量計算機上可以對超聲波流量計進(jìn)行操作，以控制測量、計算流量和讀取數據等。

    1.3 性能特點(diǎn)

    超聲波流量計在國內天然氣計量中已經(jīng)得到了應用，并取得了很好的效果[3]。RMG六聲道超聲波流量計是能夠滿(mǎn)足精確測量和安全穩定測量的先進(jìn)測量系統，符合AGA9[4]等超聲波流量計標準規范，其性能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)包括：

    1）與三、四聲道流量計相比，以特別方式排列的六聲道超聲波流量計有以下的決定性?xún)?yōu)點(diǎn)：①抗干擾性。根據高斯切比雪夫（Gauss-Chebyshev）理論排列聲道，并且聲道相互交叉，使流量計很大程度上不受氣體流型的影響。因此，可以不需要整流器甚至在氣體流動(dòng)受到渦流、不對稱(chēng)等干擾的情況下也可以實(shí)現高精度的測量。②冗余性。如果其中任何一個(gè)或兩個(gè)聲道失效，六聲道流量計將不會(huì )失去計量能力，失效的聲道可以通過(guò)重新復值來(lái)得到恢復。

    3）RMG六聲道USZ08型氣體超聲波流量計的精度為±0.25%，滿(mǎn)足交接計量要求。其本身基本的聲道幾何排列、六聲道技術(shù)和高聲波頻率等特性，使得氣體超聲波流量計可以實(shí)現高精度測量。

    4）幾乎沒(méi)有壓力損失，只要管道的橫截面內部沒(méi)有安裝元器件，那么實(shí)際上就沒(méi)有壓力損失。

    5）超載安全，因為氣體流量計沒(méi)有敏感元器件。

    6）可以實(shí)現雙向測量，流量計自動(dòng)檢測氣體流向，可以在兩個(gè)方向上測量而且分別累計計量。

    7）對污物不敏感，因為測量不需要聲波反射，在管壁上堆積的污物對超聲波脈沖不起作用，并且鈦金屬傳感器表面是防污垢的，這樣就減弱了污物等因素[5]對流量計造成的影響。

    8）不受壓力變化約束，因為氣體流速是直接測量且測量不需要靠流體機械力作用來(lái)完成。

    2 多聲道超聲波流量計校準

    根據規定，流量計在出廠(chǎng)或使用之前，必須對其計量性能進(jìn)行校準，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和使用的準確度。阿姆河天然氣公司購置的2臺多聲道超聲波流量計在出廠(chǎng)前送至荷蘭國家計量研究院（NMi）下屬Gasunie管道公司的Westerbork標定站，利用其高壓檢測裝置進(jìn)行校準。Westerbork高壓檢測裝置是世界上具有最高流量的裝置之一，在6.2MPa的壓力條件下最大流量為2.8´10⁴m³/h，并按ISO17025[6]標準要求進(jìn)行校準實(shí)驗認可。該裝置歸屬于Gasunie管道公司所有，校準時(shí)由NMi監督，并出具NMi的證書(shū)。

    Westerbork高壓檢測裝置的指標參數完全符合這2臺多聲道超聲波流量計校準的需求，標準表量值溯源有效、實(shí)驗室環(huán)境條件符合要求[7]。所用標準方法為標準表法，計算過(guò)程及數據處理符合ISO標準要求，參數調整與校準處理結果吻合，校準結果和修正結果可靠，參數修改完成后對儀表進(jìn)行鉛封。

    3 現場(chǎng)應用

    阿姆河天然氣公司外輸增壓計量站2臺多聲道超聲波流量計于2009年12月正式投用，如圖3所示，供氣壓力約6MPa，流量約為39´10⁴m³/h（標態(tài)）�，F場(chǎng)運行情況表明：RMG六聲道USZ08型氣體超聲波流量計工作性能安全、穩定、可靠，能適應在投產(chǎn)輸氣前期壓力、流量具有一定波動(dòng)幅度的工況條件，保障了貿易氣量的準確計量，中土雙方對流量計的工作情況都較滿(mǎn)意。

圖3 超聲波流量計使用現場(chǎng)圖

    4 結論    

    多聲道氣體超聲波流量計由于具有測量精度高、測量范圍寬、抗干擾性強、無(wú)壓損、超載安全、雙向測量、測量的影響因素少等優(yōu)點(diǎn)，完全適用于國際天然氣貿易計量，有效地提高了國際天然氣計量技術(shù)水平，保證了天然氣計量準確可靠和公平公正，避免了國際貿易計量的糾紛，為中石油在中亞地區天然氣項目采用多聲道超聲波流量計進(jìn)行貿易計量提供一個(gè)典型的成功案例。