便攜式氣體超聲流量計(jì)在榆林氣田的建標(biāo)與應(yīng)用

【摘要】1010DVN便攜式氣體超聲波流量計(jì)作為長(zhǎng)慶油田第二采氣廠所建的一項(xiàng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可定期開(kāi)展廠內(nèi)部流量計(jì)量值傳遞工作，確保流量計(jì)使用規(guī)范、有效。采用該流量計(jì)對(duì)采氣二廠內(nèi)部孔板流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，通過(guò)研究測(cè)試過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)的選擇、氣體組份及壓縮因子的計(jì)算及比對(duì)測(cè)試的方法等，對(duì)測(cè)試中易出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)行了探討，為便攜式氣體超聲流量計(jì)在榆林氣田的良好應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。

【關(guān)鍵詞】便攜式氣體超聲波流量計(jì)；榆林氣田；建標(biāo)；應(yīng)用

引言

隨著榆林氣田天然氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，天然氣計(jì)量已成為天然氣開(kāi)發(fā)與管理中的一項(xiàng)重要工作，長(zhǎng)慶采氣二廠單井計(jì)量及集氣站外輸均采用孔板流量計(jì)，為保證計(jì)量準(zhǔn)確性，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。為此，我廠天然氣計(jì)量站采用1010DVN便攜式氣體超聲流量計(jì)對(duì)集氣站孔板流量計(jì)進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試，取得了較為滿意的結(jié)果。

1、氣體超聲波流量計(jì)原理

超聲波流量計(jì)采用數(shù)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(cè)量流體流速，根據(jù)管道截面積計(jì)算出流體工況下體積流量。圖1為超聲波流量計(jì)原理示意圖。

圖1 超聲波流量計(jì)原理

2、便攜式氣體超聲流量計(jì)的建標(biāo)

2.1計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源和傳遞框圖

2.2計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器參數(shù)

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

2.3計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性考核

相同的測(cè)量條件下，選取編號(hào)為001，量程為（0-250）m3/h的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)進(jìn)行檢定，受檢點(diǎn)為150.00m3/h，測(cè)量10次數(shù)據(jù)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量重復(fù)性為

2.4計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性考核

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

該便攜式氣體超聲流量計(jì)檢定裝置的穩(wěn)定性為測(cè)量結(jié)果中最大值和最小值之差，即0.030m3/h。

2.5檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定

測(cè)量不確定度的評(píng)定依據(jù)JJF1059-1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》的規(guī)程，使用的計(jì)量術(shù)語(yǔ)是JJF1001-1998《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》的規(guī)定。

2.5.1測(cè)量方法及條件

便攜式氣體超聲波流量計(jì)采用直接比較法進(jìn)行測(cè)量，選用一個(gè)穩(wěn)定較好的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器的檢定值比較便可得到測(cè)量條件下被檢旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的示值誤差。

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

（2）測(cè)量范圍：（5～2558）m3/h

2.5.2建立數(shù)學(xué)模型

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

其中靈敏度系數(shù)：

2.5.3A類(lèi)測(cè)量不確定度的評(píng)定u1

用便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)編號(hào)001，量程為（0-250）m3/h的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)進(jìn)行檢定，進(jìn)行10次連續(xù)性重復(fù)獨(dú)立測(cè)量，得到測(cè)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(cè)量的平均值為：

由貝塞爾公式得出：

自由度：

2.5.4 B類(lèi)測(cè)量不確定度的評(píng)定u2

由便攜式超聲波流量計(jì)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ux1：

根據(jù)重復(fù)測(cè)量結(jié)果得出置信區(qū)間[x-a，x+a]，估計(jì)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(jì)其不可信度為10%，故自由度為：

環(huán)境溫度引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ux2：

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

綜上所述，B類(lèi)測(cè)量不確定度為：

2.5.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算：

因輸入量dx和dn彼此相互度獨(dú)立，互不相干，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式求得：

因?yàn)閏1=1，c2=-1

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的有效自由度為：

2.5.6擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取置信概率為，按有效自由度，查t分布表得：。

擴(kuò)展不確定度為：

2.5.7測(cè)量不確定度報(bào)告

用便攜式超聲波流量計(jì)對(duì)編號(hào)001，量程為（0-250）m3/h的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)進(jìn)行檢定的結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：

3、便攜式氣體超聲流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了降低在線檢測(cè)比對(duì)的誤差，應(yīng)精心操作，遵循以下操作步驟，盡量減少人為因素造成的測(cè)量誤差。

3.1測(cè)量點(diǎn)的選擇

正確選擇測(cè)量點(diǎn)，準(zhǔn)確地測(cè)量管道參數(shù)，是減少附加比對(duì)測(cè)試誤差的前提條件。為此必須做到以下兩點(diǎn)：一是測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選擇在管道上游10倍以上、下游5倍以上管徑長(zhǎng)度的直管段上，測(cè)量點(diǎn)處應(yīng)無(wú)焊縫、無(wú)振動(dòng)及無(wú)電磁干擾源等；二是由被測(cè)單位提供測(cè)試管道設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)用卡尺或鋼卷尺和超聲波測(cè)厚儀對(duì)管道外徑及壁厚進(jìn)行復(fù)核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)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(shù)據(jù)輸入流量計(jì)主機(jī)。為減小管道噪音信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)在管道外壁粘貼CC129A型氣體耦合劑薄膜，貼時(shí)應(yīng)盡量減少氣泡的產(chǎn)生，如產(chǎn)生氣泡應(yīng)將氣泡弄破，釋放出氣體。

3.3氣體參數(shù)的設(shè)置

由環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供氣體的組分、比熱率、粘度等可靠數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)輸入被測(cè)點(diǎn)氣體的溫度、壓力參數(shù)。組份用于計(jì)算氣體壓縮因子，比熱率用于計(jì)算氣體的平均比重，粘度用于進(jìn)行流態(tài)補(bǔ)償計(jì)算。

該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)了陜西省計(jì)量科學(xué)研究院的檢定，準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了1.0級(jí)。為進(jìn)一步驗(yàn)證其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度，我們?cè)谧鳂I(yè)二區(qū)榆21站外輸天然氣計(jì)量管線上進(jìn)行了測(cè)試，與外輸孔板流量計(jì)進(jìn)行了比對(duì)，測(cè)量的相對(duì)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(jì)精度符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，孔板流量計(jì)計(jì)量誤差在有效范圍內(nèi)。

4、結(jié)論

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

① 不同型號(hào)的1010DVN換能器所適用的管道外徑、壁厚和被測(cè)介質(zhì)最低壓力等數(shù)據(jù)是不同的，要確保提供的參數(shù)在其適用范圍內(nèi)；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(cè)量效果會(huì)變差。

② 測(cè)試中現(xiàn)場(chǎng)提供的溫度、壓力數(shù)據(jù)在測(cè)量過(guò)程中是否穩(wěn)定，影響到最終的測(cè)量精度。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可以估算出，溫度相差1℃，流量測(cè)量結(jié)果會(huì)相差0.3%左右，壓力相差0.1MPa，流量測(cè)量結(jié)果會(huì)相差1.3%左右。

③ 信噪比大小對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，如果信噪比在10：1以下，就無(wú)法得到準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)。為抑制管道中噪音信號(hào)，提高信噪比，需要在測(cè)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(cè)量結(jié)果。安裝換能器時(shí)，管道外表面應(yīng)去除保溫層、去漆，銹跡應(yīng)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(cè)流體。為確保流體所需的流速分布，換能器前后要有足夠長(zhǎng)的直管段。