气体超声流量计在气田贸易计量系统中的应用

0 引言 由于气体超声流量计具有测量范围宽、便于安装、易维护、流量测量的影响因素少、准确度高、重复性好等特点，使其成为天然气贸易计量领域的一种很重要的流量计量仪表。随着“西气东输”工程及其下游天然气利用工程的不断建设，气体超声流量计用于天然气贸易交接计量，获得了长足的发展，并逐步为用户接受。 1 工作原理及特点 1.1 气体超声流量计是指采用超声波传播时间差法进行气体流量测量的超声流量计。其基本工作原理是：在有流体流动的管道中，超声波脉冲顺流传播的速度要大于逆流传播时的速度，即在相同行程内，超声波信号顺流的传播时间比在逆流情况下要短，管道内流体的流速越大，超声波顺流和逆流传播的时间差越大。气体超声流量计就是通过测量高频声脉冲在管道内顺、逆流条件下的传播时间差（该时间差与气体轴向平均流速有关），从而使用数值计算技术，计算工作条件下通过气体超声流量计的气体轴向平均流速和流量。气体超声流量计的基本工作原理，如图1所示。 测量原理： 图1 气体超声流量计基本原理图 式中： 为顺向传播时间； 为逆向传播时间；C为在被测气体中的声速；V为气体流动速度；L为上下游传感器间距离；X为传感器轴向距离；D为仪表孔径；Q为被测气体工况流量。 气体超声流量计的设计是基于以下假设进行的，即，对于任何稳定的管道内流体，其流速是以管轴为中心对称分布的。而实际情况是流体在管道内流动时，流速很少沿管轴对称分布，它们受上游管道的安装、管道状况、现场阻流件和其它因素等的影响，所有这些都会影响流体流速的对称分布。为此，世界各著名的超声流量计生产厂,对此进行了许多实验模拟，各自提出了非对称流体流量测量的解决方案，如荷兰Instromet公司的五声道超声流量计，采用多反射声程加长技术，即沿管轴线对称分布三组单反射传感器和两组二次反射传感器，据此制定相应的仪表信号处理方案，以修正速度分布畸变与旋转流对测量值的影响；美国Daniel公司的四声道高级超声流量计，则采用对射式，四组对射传感器分布在四个平行的平面上，传感器“X”型分布，使之更有利于涡流或偏流等流体的测量。 下面以Daniel高级超声波流量计为例，简述其基本构成。该流量计通过测量在四个并行的测量通道上超声波通过气体时的传输时间，以精确获取通过仪表的气体平均流速。四个测量通道的选择充分考虑到在不受流体特性影响下取得最优的精度。四个测量通道均与管轴呈45°角分布。每条测量通道拥有2个超声波传感器，交替作为超声波信号能量的发送及接受装置,用来测量超声波通过顺流和逆流时的传输时间。传感器被安装在表壁的固定位置上，距离X与L在仪表制造组装时即已确定。对于每台超声流量计这些参数都是对应固定的，这些确定的距离，可通过高精度的精密加工实现，结合对每对传感器的电子特性的测量，使得超声流量计能够在无需进行标定的情况下，获得很高的精度和重复性。 1.2 气体超声流量计的性能特点 气体超声流量计从其工作原理和仪表结构分析，具有以下性能特点： ①检测件是一段无阻碍物的圆管，结构简单、无可动部件、无压力瞬时并且免维护； ②适用的流量范围大（量程比宽为40∶1，最高可达100∶1）； ③精确度高（≤＋0.5％），重复性好，线性好； ④有强大的自检和自诊断功能； ⑤各生产厂所具有的专利声道布置技术，可有效解决流体的速度分布不对称和涡流造成的影响； ⑥双向测量； ⑦气体超声流量计更着重于采用软测量方法解决问题，具有仪表工作原理与结构简单、信号与流量（流速）为线性关系、测量采用高速数字信号处理技术等其它流量计不可比拟的优点。 2 与孔板流量计计量系统的对比 气体超声流量计采用荷兰Instromet公司的五声道超声流量计和美国Daniel公司的四声道高级超声流量计。孔板流量计采用高级孔板阀，配套温度变送器和压力、绝压和差压变送器。 经过多年的应用和使用经验分析，孔板流量计的节流装置制造偏离、安装位置偏离、被测介质流动状态影响、使用过程中腐蚀、磨损、附着以及直管段长度不够等因素带来的测量误差相对影响量最大。目前，孔板流量计主要采用干检法对二次测量仪表及计量孔板进行不确定度控制。而利用“干检”几何测量法主要是对孔板、二次仪表及流量计算机进行一年一次的周检，来评估整套孔板流量计的系统不确定度，但是不能对以上因素产生的误差定性、定量估算，因此，无法完全定量确定整套计量装置的总不确定度，对由此产生的偏差，不能给出合理的、确定的修正系数。 气体超声流量计没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性的问题，其声道长度，声道角及管道横截面面积是恒定的参数；也没有引压管线之类易引起故障的部件，能够根据现场条件确定仪表系数并为此长期稳定。尤其是能够满足用户要求天然气流量计量系统，必须具有高精度、无压损、低能耗、结实耐用、维护少的特点。根据技术与经济的比较，流量计口径在DN200以上时采用气体超声流量计的设置方案比较合理。 长庆气田“西气东输”管道供气工程中，其供气能力按30×108m3/a设计，天然气流量计量系统若采用孔板流量计作为计量仪表，为满足范围度的要求，至少需设置5条10″计量管路（4用1备）；采用气体超声流量计则只需设置3条10″计量管路（2用1备）即可，可节省近50％的占地空间和2条计量管路的管阀件，并且计量精度更高，仪表工作更稳定，维护量更少。 3 计量系统方案 在长庆气田“西气东输”管道供气工程具体设计中，供气能力按30×108m3/a进行设计。如图2所示，详细情况如下： 图2 超声流量计管路安装示意图 ①采用三台10″的气体超声流量计作为计量仪表，其计量管路严格按照GB/T18604《用气体超声流量计测量天然气流量》中有关管道配置的要求进行设计。被测天然气的流速范围，根据规范一般采用0.3～30m/s，根据我们的经验推荐采用0.3～25m/s。 ②在计量系统计量管路前后加装汇管，使之与调压系统隔离，以利于消除调压系统噪声可能对超声流量计造成的影响。 ③每条计量管路设置至少前30D（D为管径内径，下同）的计量直管，在超声流量计前10D处安装流动调整器，流动调整器采用板式结构。其中计量直管段的直度、圆度和内表面粗糙度等加工参数，均满足AGA3#报告的相关内容要求（参照）。 ④计量管路中计量仪表上游入口阀处，各安装一个DN25的小口径截止阀控制慢速开启，以使流量计和相关缓慢增压，避免设备、流量计等仪器仪表的损坏。 ⑤每条计量管路设置专用的流量计算机，天然气流量信号经流量计接入净化厂DCS，数据接口为RS-485标准Modbus协议。超声流量计配套的数据处理单元为防爆型（防爆等级不低于dIIBT4）就地安装。 ⑥各计量管路配套安装温度和压力检测变送器。压力变送器采用0.075级绝对压力变送器，安装位置在流量计表体上；温度变送器采用0.2级一体化智能温度变送器，安装位置在流量计下游4D处。温度、压力信号对应接入各自的流量计算机。 ⑦整个计量系统统一设置在线气体色谱仪，专门用来检测天然气的组分，并将实时组分数据通过净化厂DCS传送至流量计算机，通过流量计算机内置的压缩因子公式（压缩因子是按一定的计算公式、且随不同的温度、压力而动态计算的）计算出压缩系统。流量计算机将计量结果数据上传DCS。 具体信号连接方案实例如图3所示。 图3 超声流量计信号连接图 4 应用情况 在长庆气田“西气东输”供气工程中，共使用了3台气体超声流量计用于天然气贸易交接计量，经过近2年时间的运行，超声流量计可靠准确，实现了日常的“零维护”，流量计的工作情况令贸易交接双方均比较满意。但下述问题在今后的设计应用中应予以重视： ①计量系统设计方案可进一步优化，比如在超声流量计后，每组标定接口串接一台计量用的标定流量装置，交替对每台超声流量计定期进行比对核查，可大大提高计量系统的可信度。 ②同一计量系统中，流量计和在线全组分析设备最好采用同一品牌产品，以确保通信接口的统一，实现系统间的无缝连接。 ③采用可带压更换探测器的流量计，备用一对探测器，并定期进行自检，发现问题及时更换。 5 结束语 经过一年多的实际应用，气体超声流量计完全达到了设计要求。实践证明，多声道气体超声流量计完全适用于气田天然气外输贸易计量，可有效提高气田天然气计量技术水平。由于气体超声流量计具有结实耐用、量程比宽、无压损、标定周期较长、准确度高、维护工作小等优点，必将在气田外输天然气流量测量领域得到广泛使用。