便攜式氣體超聲流量計在榆林氣田的建標與應用

  引言

    隨著(zhù)榆林氣田天然氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，天然氣計量已成為天然氣開(kāi)發(fā)與管理中的一項重要工作，長(cháng)慶采氣二廠(chǎng)單井計量及集氣站外輸均采用孔板流量計，為保證計量準確性，應定期對其進(jìn)行檢測。為此，我廠(chǎng)天然氣計量站采用1010DVN便攜式氣體超聲流量計對集氣站孔板流量計進(jìn)行了比對測試，取得了較為滿(mǎn)意的結果。

    1、氣體超聲波流量計原理

    超聲波流量計采用數字式多脈沖MultiPulseTM時(shí)差技術(shù)。每聲道的兩個(gè)寬束超聲波換能器，互為發(fā)射和接收換能器。利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來(lái)測量流體流速，根據管道截面積計算出流體工況下體積流量。圖1為超聲波流量計原理示意圖。

圖1 超聲波流量計原理

    2、便攜式氣體超聲流量計的建標

    2.1 計量標準的量值溯源和傳遞框圖

    

    2.2 計量標準器參數

    測量范圍：（5～2558）m³/h；DN（80～200）mm，精度等級1.0級。

    2.3 計量標準的重復性考核

    相同的測量條件下，選取編號為001，量程為（0-250）m³/h的旋進(jìn)漩渦流量計進(jìn)行檢定，受檢點(diǎn)為150.00m³/h，測量10次數據如下：?jiǎn)挝唬╩³/h）

    150.29；150.30；150.31；150.30；150.31；

    150.28；150.28；150.29；150.31；150.31

    則由貝塞爾公式得出，計量標準的測量重復性為

    2.4 計量標準的穩定性考核

    在工作條件不變情況下，選一塊性能穩定編號為001，量程為（0-250）m³/h的旋進(jìn)漩渦流量計，間隔兩個(gè)月測量一組數據，受檢點(diǎn)為150.00m³/h，得測量值如下表所示：

    該便攜式氣體超聲流量計檢定裝置的穩定性為測量結果中最大值和最小值之差，即0.030m³/h。

    2.5 檢定或校準結果的測量不確定度評定

    測量不確定度的評定依據JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》的規程，使用的計量術(shù)語(yǔ)是JJF1001-1998《通用計量術(shù)語(yǔ)及定義》的規定。

    2.5.1 測量方法及條件

    便攜式氣體超聲波流量計采用直接比較法進(jìn)行測量，選用一個(gè)穩定較好的旋進(jìn)漩渦流量計，通過(guò)標準器的檢定值比較便可得到測量條件下被檢旋進(jìn)漩渦流量計的示值誤差。

    （1）環(huán)境條件：（-5～35）℃、（45～85）%RH、（86～106）kPa

    （2）測量范圍：（5～2558）m³/h

    2.5.2 建立數學(xué)模型

    

    式中：Δq為被檢旋進(jìn)漩渦流量計的示值誤差，單位為m³/h；q_x為被檢游標卡尺的實(shí)際指示值，單位為m³/h；q_n為該便攜式超聲波流量計檢定值，單位為m³/h。

    其中靈敏度系數：

    2.5.3 A類(lèi)測量不確定度的評定u₁

    用便攜式超聲波流量計對編號001，量程為（0-250）m³/h的旋進(jìn)漩渦流量計進(jìn)行檢定，進(jìn)行10次連續性重復獨立測量，得到測量列150.29m³/h、150.30m³/h、150.31m³/h、150.30m³/h、150.31m³/h、150.28m³/h、150.28m³/h、150.29m³/h、150.31m³/h、150.31m³/h

    測量的平均值為：

    

    由貝塞爾公式得出：

    

    自由度：

    2.5.4 B類(lèi)測量不確定度的評定u₂

    由便攜式超聲波流量計引起的標準不確定度分量u_x1：

    根據重復測量結果得出置信區間[x-a，x+a]，估計xi的變化范圍（半寬）a為0.1279m³/h，誤差服從均勻分布：

    包含因子：

    則B類(lèi)不確定度：

    估計其不可信度為10%，故自由度為：

    環(huán)境溫度引起的標準不確定度分量u_x2

    因檢定溫度引起的標準不確定度，因溫度控制在（-5～35）℃范圍內，因而可以忽略不計。

    綜上所述，B類(lèi)測量不確定度為：

    2.5.5 合成標準不確定度的評定

    合成標準不確定度u_c的計算：

    因輸入量dx和dn彼此相互度獨立，互不相干，所以合成標準不確定度可按下式求得：因為c1=1，c2=-1

    

    合成標準不確定度u_c的有效自由度為：

    

    2.5.6 擴展不確定度的評定

    取置信概率為p=95%，按有效自由度ν_eff=9，查t分布表得：k₉₅=2.26。

    擴展不確定度為：

    2.5.7 測量不確定度報告

    用便攜式超聲波流量計對編號001，量程為（0-250）m³/h的旋進(jìn)漩渦流量計進(jìn)行檢定的結果的擴展不確定度為：

    

    3、便攜式氣體超聲流量計的現場(chǎng)應用

    為了降低在線(xiàn)檢測比對的誤差，應精心操作，遵循以下操作步驟，盡量減少人為因素造成的測量誤差。

    3.1 測量點(diǎn)的選擇

    正確選擇測量點(diǎn)，準確地測量管道參數，是減少附加比對測試誤差的前提條件。為此必須做到以下兩點(diǎn)：一是測量點(diǎn)應選擇在管道上游10倍以上、下游5倍以上管徑長(cháng)度的直管段上，測量點(diǎn)處應無(wú)焊縫、無(wú)振動(dòng)及無(wú)電磁干擾源等；二是由被測單位提供測試管道設計參數，現場(chǎng)用卡尺或鋼卷尺和超聲波測厚儀對管道外徑及壁厚進(jìn)行復核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應進(jìn)行多點(diǎn)測量后取其平均值。

    3.2 安裝換能器

    將管道外經(jīng)、壁厚和管道材質(zhì)數據輸入流量計主機。為減小管道噪音信號對測量結果的影響，應在管道外壁粘貼CC129A型氣體耦合劑薄膜，貼時(shí)應盡量減少氣泡的產(chǎn)生，如產(chǎn)生氣泡應將氣泡弄破，釋放出氣體。

    3.3 氣體參數的設置

    由環(huán)境監測站提供氣體的組分、比熱率、粘度等可靠數據，現場(chǎng)輸入被測點(diǎn)氣體的溫度、壓力參數。組份用于計算氣體壓縮因子，比熱率用于計算氣體的平均比重，粘度用于進(jìn)行流態(tài)補償計算。

    該計量標準經(jīng)過(guò)了陜西省計量科學(xué)研究院的檢定，準確度等級達到了1.0級。為進(jìn)一步驗證其現場(chǎng)檢測精度，我們在作業(yè)二區榆21站外輸天然氣計量管線(xiàn)上進(jìn)行了測試，與外輸孔板流量計進(jìn)行了比對，測量的相對誤差均未超出±1.0%的范圍，說(shuō)明選用的1010DVN便攜式氣體超聲波流量計精度符合現場(chǎng)測試要求，孔板流量計計量誤差在有效范圍內。

    4、結論

    為進(jìn)一步提高1010DVN的在線(xiàn)測量精度，在使用中需要注意以下幾點(diǎn)：

    ①不同型號的1010DVN換能器所適用的管道外徑、壁厚和被測介質(zhì)最低壓力等數據是不同的，要確保提供的參數在其適用范圍內；另外，管道外徑與壁厚比為15：1或更大時(shí)性能最佳，小到5：1時(shí)測量效果會(huì )變差。

    ②測試中現場(chǎng)提供的溫度、壓力數據在測量過(guò)程中是否穩定，影響到最終的測量精度。根據氣體狀態(tài)方程可以估算出，溫度相差1℃，流量測量結果會(huì )相差0.3%左右，壓力相差0.1MPa，流量測量結果會(huì )相差1.3%左右。

    ③信噪比大小對測量結果有較大影響，如果信噪比在10：1以下，就無(wú)法得到準確測量數據。為抑制管道中噪音信號，提高信噪比，需要在測量管道外壁粘貼CC129A型氣體耦合劑薄膜。

    ④換能器的安裝條件及安裝精度影響最終的測量結果。安裝換能器時(shí)，管道外表面應去除保溫層、去漆，銹跡應砂平，涂勻耦合劑，不能有空隙，否則聲波會(huì )在固、氣界面上發(fā)生折射，無(wú)法傳到被測流體。為確保流體所需的流速分布，換能器前后要有足夠長(cháng)的直管段。