天然氣作為一種上等能源和化工原料,準(zhǔn)確地進(jìn)行流量計量是企業(yè)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析、降低運(yùn)行成本的關(guān)鍵,直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,是備受供需雙方關(guān)注的環(huán)節(jié)。中國石油天然氣有限公司與下游各用氣城市貿(mào)易結(jié)算的計量方式是多種多樣的,西氣東輸工程中的上游及南京等下游城市,普遍采用超聲波流量計,由于它具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為了滿足西氣東輸工程的要求,我國于2001年編制了國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t 18604—2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》。

1 工作原理與特點(diǎn)
1.1 工作原理
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用,測量體積流量的速度式流量儀表,測量原理有傳播時間差法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法。天然氣超聲波流量計的測量原理是傳播時間差法(見圖1)。在天然氣管道中安裝2個能發(fā)送和接收超聲脈沖的傳感器形成聲道。2個傳感器輪流發(fā)射和接收脈沖,超聲脈沖相對于天然氣以聲速傳播。沿聲道順流傳播的超聲脈沖的速度因被測天然氣流速在聲道上的投影(與其方向相同)而增加,而沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的速度因被測天然氣流速在聲道上的投影(與之方向相反)而減少。這樣就得到超聲脈沖在順流和逆流方向上的傳播時間:
式中 t1———沿聲道順流傳播的超聲脈沖的傳播時間, s
t2———沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的傳播時間, s
l———聲道長度,m
c———被測介質(zhì)中超聲脈沖的聲速,m/s
vm———被測介質(zhì)的流速,m/s
φ———被測介質(zhì)流動方向與聲道之間的夾角, rad
由式(1)、(2),可以推導(dǎo)出被測介質(zhì)流速的計算式:
由式(3),被測介質(zhì)中的聲速在式(3)中被消去,說明被測介質(zhì)的流速與被測介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。
1.2 特點(diǎn)
① 天然氣超聲波流量計適用于高壓、大口徑、大流量的工況,但對小流量、尤其是拐點(diǎn)流量(*大流量的10% )以下的流量段應(yīng)慎用。
② 天然氣超聲波流量計不受氣體流向的影響,能以相同的準(zhǔn)確度進(jìn)行雙向流量計量,無壓力損失,無轉(zhuǎn)動部件,無過載被損壞的危險,維修量小,自動化程度高。
③ 對同一廠家生產(chǎn)的天然氣超聲波流量計,聲道越多,計量精度越高,性能越可靠。如果其中1條聲道出現(xiàn)故障,流量計會繼續(xù)用其他聲道測量,并替換掉故障通道的測量數(shù)據(jù)。報警器將對故障情況發(fā)出報警,但流量計仍可準(zhǔn)確運(yùn)行。
④ 大口徑、多聲道的天然氣超聲波流量計計量精度高(±0. 5% ),量程比寬,抗*力較強(qiáng)。
⑤ 對于上游無整流器的多聲道天然氣超聲波流量計,它的上游需長10倍管徑的直管段,下游需長5倍管徑的直管段。
⑥ 天然氣超聲波流量計的儀表系數(shù)可根據(jù)管道及聲道等的幾何尺寸計算求得,即可采用干式檢定。
2 檢定
根據(jù)規(guī)定,用于貿(mào)易結(jié)算的計量量器屬于強(qiáng)制檢定范疇,必須進(jìn)行周期檢定,執(zhí)行國家有關(guān)的計量檢定規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)。對于無須強(qiáng)制檢定的天然氣超聲波流量計,也可采用干式檢定,若在供貨合同中無實流校準(zhǔn)的要求,天然氣超聲波流量計出廠時廠家一般只作干式檢定。
2.1 干式檢定
流量計的干式檢定并不是校準(zhǔn),因為這種方法不是根據(jù)與某一標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn)相比來檢查測量結(jié)果并進(jìn)行必要的調(diào)整,所以用“檢定”一詞較為恰當(dāng)。管道及聲道的幾何尺寸可以準(zhǔn)確測定,利用電子線路和高質(zhì)量的石英晶體振蕩器,可以以*的精度與穩(wěn)定性進(jìn)行時間的測量,但干式檢定要成為*的標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)行大量研究驗證。干式檢定方法主要包括以下步驟。
① 流量計幾何尺寸的測量
為保證流量計的精度,聲道長度l和聲道與被測介質(zhì)流速的夾角φ是非常重要的基本參數(shù),采用高性能的設(shè)備**控制測量公差,可以改善精度。
② 電子線路與傳感器性能測試
一方面檢測其性能指標(biāo)是否符合設(shè)計規(guī)定要求,另一方面復(fù)核其性能指標(biāo)穩(wěn)定性,即電子部分的穩(wěn)定度是否滿足要求。
③ 零流量檢查
在流量計兩端連接盲法蘭,測量管內(nèi)不會有任何氣體流動,而且所有聲道上測得的氣速都應(yīng)為0。只要流量計被隔離,這一測試即可在實際管道中進(jìn)行。但是根據(jù)實際經(jīng)驗,隔離法的性能并不總是很好,即使很小的泄漏量也能產(chǎn)生雖小但可測量的氣體流量。如果進(jìn)行在線測試,一定要特別注意避免上述因素引起的誤導(dǎo),還有因溫度梯度引起的流體對流也很容易被誤認(rèn)為是氣體流動。
④ 聲速檢查
聲速檢查既可作為功能測試,也可作為校驗的一項內(nèi)容。當(dāng)想要對流量計進(jìn)行實流檢定時,只需進(jìn)行功能測試,用壓縮空氣或n2就可完成。當(dāng)進(jìn)行校驗時,需要用已知組成的氣體對流量計進(jìn)行測試,一般選擇n2。為了對現(xiàn)有壓力和溫度下期望得到的聲速進(jìn)行**的計算,還需安裝**的溫度和壓力測量裝置,需注意達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要有足夠的時間。觀察到的聲速與聲速的期望值的比較結(jié)果,會暴露聲道長度的某種誤差。單聲道測得的聲速可能略有差異,但其平均值將非常接近期望值。一般情況下,測量值與期望值之間的差異接近0. 1%。這一測試也可以在實際管道中進(jìn)行,關(guān)鍵的是要知道測試時氣體的**組成,同時還必須進(jìn)行**的溫度和壓力測量。
2.2 實流校準(zhǔn)
實流校準(zhǔn)是將超聲波流量計與一個計量標(biāo)準(zhǔn)或參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,以此判斷流量計的準(zhǔn)確度。與流量計進(jìn)行對比的標(biāo)準(zhǔn)裝置及其輔助測量儀表都應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。實流校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少因超聲波流量計聲道長度、聲道角度、管內(nèi)徑和聲道位置等誤差所造成的流量測量誤差。超聲波流量計的用戶能得到詳細(xì)說明流量計準(zhǔn)確度的計量合格證書,同時能對超聲波流量計進(jìn)行調(diào)整,減少其相對于檢定裝置的校準(zhǔn)測量誤差或偏差。
用超聲波流量計測量天然氣流量時,氣體壓力和溫度變化都會對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。從目前歐美國家所做研究試驗來看,在1. 4~6. 9mpa的試驗范圍內(nèi),*不利的情況是壓力每變化0. 7mpa,流量計的準(zhǔn)確度相差0. 1%。對dn 200 mm和dn 300mm的流量計,壓力每變化4. 5mpa,準(zhǔn)確度相差0. 4%,溫度每變化16. 7℃,準(zhǔn)確度相差0. 1%。因此,為保證氣體超聲波流量計的性能,必須在接近實際運(yùn)行工況條件下對超聲波流量計進(jìn)行實流校準(zhǔn)。
根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)gb/t 18604—2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》附錄a出廠測試要求,超聲波流量計出廠必須做幾何尺寸測量和零流量檢驗測試,而對于實流標(biāo)定則規(guī)定,為減少流量計的測量誤差,出廠前可進(jìn)行實流校準(zhǔn)[1]。另根據(jù)《中華人民共和國進(jìn)口計量器具監(jiān)督管理辦法實施細(xì)則》,列入《中華人民共和國依法管理的計量器具目錄》的進(jìn)口計量器具,在銷售之前必須經(jīng)省級政府計量行政部門檢定。當(dāng)?shù)夭荒軝z定的,向計量行政部門申請檢定。未經(jīng)檢定合格的,不得銷售。根據(jù)此規(guī)定,進(jìn)口流量計在銷售之前均必須進(jìn)行檢定。
目前國內(nèi)使用的超聲波流量計的實流標(biāo)定,是在美國進(jìn)行的,檢定費(fèi)用另外計算。對下游用氣城市,凡是合同中未明確要求實流標(biāo)定的,供貨商均未提供此項服務(wù),如要求標(biāo)定,費(fèi)用另行結(jié)算。供貨商提供的交貨資料只提供出廠測試報告,而沒有國家計量檢定部門出具的檢定報告。超聲波流量計出廠做干式檢定,精度小于0. 5%則合格。實流標(biāo)定是用于貿(mào)易結(jié)算計量的流量計必須做的,我國主要天然氣流量計量站的檢測能力見表1。
3 結(jié)語
天然氣超聲波流量計與目前廣泛使用的孔板流量計相比,有很多優(yōu)點(diǎn),如系統(tǒng)基本投入較低、雙向測量、大量程比、無壓損、無運(yùn)動部件和高精度等?？装辶髁坑嬕咽褂枚嗄?具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、使用簡單可靠、一般無特殊要求時無須標(biāo)定等特點(diǎn),可與超聲波流量計互補(bǔ)使用。隨著我國各項法律、法規(guī)的制定和完善,特別是標(biāo)定內(nèi)容和時間的明確,隨著我國天然氣的進(jìn)一步發(fā)展,超聲波流量計在天然氣領(lǐng)域中的應(yīng)用前景看好。