氣體超聲流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量中的應(yīng)用分析

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(中國(guó)石化股份有限公司中原油田分公司 天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽(yáng) 457162)

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氣體超聲流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量中的應(yīng)用分析

王存?zhèn)?/p>

(中國(guó)石化股份有限公司中原油田分公司 天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽(yáng) 457162)

摘要：根據(jù)GB/T 18604—2014《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，介紹了超聲波流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量中的應(yīng)用，闡述了時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理，分析了現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)條件，從軟件和硬件方面介紹了超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量系統(tǒng)構(gòu)成；通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)的方法對(duì)超聲波流量計(jì)的計(jì)量效果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果證明其準(zhǔn)確性及可靠性高，便于對(duì)貿(mào)易交接氣量進(jìn)行監(jiān)督檢查，以此提高計(jì)量精細(xì)化管理水平。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣流量測(cè)量

中原油田天然氣產(chǎn)銷廠承擔(dān)著“文96”儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行管理工作并接收榆濟(jì)管線外部來(lái)氣，使用超聲波流量計(jì)計(jì)量?jī)?chǔ)氣庫(kù)注采氣量和榆濟(jì)管道外部來(lái)氣氣量。隨著天然氣長(zhǎng)輸管道的建立和集輸站場(chǎng)輸氣量的提高，超聲波流量計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為更好地在天然氣計(jì)量工作中使用超聲波流量計(jì)，根據(jù)2014年國(guó)家頒布的最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2014《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》[1]，以柳屯增壓站榆濟(jì)采氣為例進(jìn)行研究，開(kāi)展關(guān)于超聲波流量計(jì)安裝條件、流量計(jì)量、維護(hù)保養(yǎng)等研究活動(dòng)。

1研究?jī)?nèi)容

1.1測(cè)量原理

圖1　單聲道超聲波工作原理示意注： L——直線傳播距離；x——垂直傳播距離；D——管徑。

目前使用的超聲波流量計(jì)主要基于時(shí)差法測(cè)量原理，是通過(guò)測(cè)量高頻聲脈沖傳播時(shí)間得出氣體流量的速度式流量計(jì)。傳播時(shí)間通過(guò)在管道外或管道內(nèi)成對(duì)的換能器之間傳送和接收到的聲脈沖進(jìn)行測(cè)量。聲脈沖沿斜線方向傳播，如圖1所示，順流傳送的聲脈沖被氣流加速，而逆流傳送的聲脈沖則會(huì)被減速。其傳播時(shí)間差與氣體的軸向平均流速有關(guān)，從而使用數(shù)值計(jì)算技術(shù)計(jì)算出在工作條件下通過(guò)氣體超聲流量計(jì)的氣體軸向平均流速和流量。只有1個(gè)聲道的流量計(jì)稱為單聲道氣體超聲流量計(jì)，有2個(gè)或2個(gè)以上聲道的流量計(jì)稱為多聲道氣體超聲流量計(jì)。超聲換能器與氣體直接接觸時(shí)，稱為插入式超聲流量計(jì)；超聲換能器不與氣體直接接觸時(shí)，稱為外夾式超聲流量計(jì)。

聲脈沖的傳播時(shí)間可通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：t1——反向傳輸時(shí)間，s；t2——正向傳輸時(shí)間，s；v——天然氣流體速度，m/s；c——聲速，m/s；L——直線傳播距離，m；x——垂直傳播距離，m。

由式(1)和式(2)得出：

(3)

(4)

天然氣的工況瞬時(shí)體積流量qVf可通過(guò)下式計(jì)算：

qVf=v S

(5)

S=π(D/2)2

(6)

式中：qVf——工況條件下天然氣的瞬時(shí)體積流量，m3/h；S——管道的橫截面積，m2；D——管徑，m。

1.2流量測(cè)量

標(biāo)況條件下瞬時(shí)體積流量qVn按照下式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

式中：qVn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h；qVf——工作條件下的瞬時(shí)體積流量，m3/h)；pn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的絕對(duì)壓力，MPa；pf——工作條件下的絕對(duì)靜壓力，MPa；Tn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；Tf——工作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Zn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子，按GB/T 17747—1999計(jì)算得出；Zf——工作條件下的壓縮因子，按GB/T 17747—1999計(jì)算得出。

標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的累積體積流量按下式計(jì)算：

(8)

式中：qV總——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下在t0～t階段的累積體積流量，m3/h；t0——進(jìn)行累積流量積分的初始時(shí)間，s；t——進(jìn)行累積流量積分的結(jié)束時(shí)間，s。

1.3現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)條件

1.3.1溫度

流量計(jì)的安裝應(yīng)滿足工作介質(zhì)溫度為-20～60℃，工作環(huán)境溫度為-40～60℃，應(yīng)根據(jù)安裝點(diǎn)具體的環(huán)境及工作條件，對(duì)流量計(jì)組件采取必要的隔熱、防凍及其他遮雨、防曬等保護(hù)措施。中原地區(qū)常年溫度在-15～50℃，滿足超聲波流量計(jì)所需的介質(zhì)溫度和工作溫度。冬季根據(jù)指定的操作規(guī)程及時(shí)采取保溫處理。

1.3.2振動(dòng)

流量計(jì)的安裝應(yīng)盡可能避開(kāi)振動(dòng)環(huán)境，特別要避開(kāi)可引起信號(hào)處理單元、超聲換能器等部件發(fā)生共振的環(huán)境。該站安裝有4臺(tái)增壓機(jī)組，超聲波流量計(jì)安裝位置與增壓機(jī)組直線距離超過(guò)了100m，能有效避免增壓機(jī)組工作時(shí)對(duì)超聲波流量計(jì)的影響。

1.3.3電氣噪聲

在安裝流量計(jì)及其相關(guān)的連接導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)避開(kāi)可能存在較強(qiáng)電磁或電子干擾的環(huán)境，否則應(yīng)咨詢制造廠并采取必要的防護(hù)措施。為防止電磁干擾，該廠根據(jù)儀器儀表安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)線纜施工標(biāo)準(zhǔn)，要求如下。

1) 超聲波信號(hào)電纜與具有強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的電器設(shè)備和電纜之間的距離要大于1.5m，帶屏蔽的電纜穿金屬保護(hù)管時(shí)應(yīng)大于0.8m；不同電壓等級(jí)的電纜不應(yīng)敷設(shè)在同一電纜槽或保護(hù)管內(nèi)，或采取金屬管隔離措施。

2) 電纜敷設(shè)嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工。埋地敷設(shè)電纜埋深大于70cm，而且要埋于凍土層以下，上下鋪100mm厚的沙子，沙上蓋一層磚或混凝土護(hù)板，覆蓋寬度至少大于電纜邊緣的50mm。

3) 自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)置保護(hù)接地、信號(hào)回路接地和屏蔽接地，并保證接地可靠，接地電阻符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4) 系統(tǒng)的防雷防浪涌設(shè)備按要求安裝到位，并保證可靠接地，接地電阻小于1Ω。

5) 流量計(jì)或儀表嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)安裝施工，避免安裝不規(guī)范、應(yīng)力和其他因素影響其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

1.3.4聲學(xué)噪聲

流量計(jì)的安裝應(yīng)盡量防止聲學(xué)噪聲對(duì)測(cè)量性能產(chǎn)生的不利影響。在調(diào)壓計(jì)量站中，流量計(jì)通常應(yīng)安裝在調(diào)節(jié)閥的上游。該站超聲波流量計(jì)在安裝初期時(shí)并沒(méi)有考慮到噪聲對(duì)流量計(jì)計(jì)量的影響，由于日均來(lái)氣量在1×106m3，氣體流速大，壓力高，在流量計(jì)運(yùn)行后時(shí)常發(fā)出刺耳的氣流聲，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)其噪聲無(wú)法消除，尤其在來(lái)氣量大的情況下尤為明顯。根據(jù)超聲波流量計(jì)測(cè)量原理，超聲波能量轉(zhuǎn)換器發(fā)出超聲用于測(cè)量，外界噪聲勢(shì)必對(duì)其計(jì)量造成影響，為消除噪聲對(duì)流量計(jì)計(jì)量的影響，后期在超聲波流量計(jì)安裝的下游管段增加了彎管，通過(guò)緩沖氣量流速來(lái)降低噪聲的產(chǎn)生。

1.3.5脈動(dòng)

應(yīng)考慮在流量計(jì)附近可能存在的流動(dòng)脈動(dòng)，并采取適當(dāng)?shù)拇胧M量減小脈動(dòng)導(dǎo)致的附加測(cè)量不確定度。超聲波流量計(jì)在安裝時(shí)為防止天然氣在管道中經(jīng)過(guò)彎管等節(jié)流部件產(chǎn)生紊流、脈動(dòng)等現(xiàn)象，在上游直管段安裝了天然氣整流器。

1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)以上技術(shù)要求，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下： 根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求，使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行天然氣標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量測(cè)量，所需軟硬件組成如圖2所示。

圖2　超聲波流量計(jì)計(jì)量軟硬件組成示意

1.4.1超聲波流量計(jì)

該站安裝了1臺(tái)DN250氣體超聲流量計(jì)，計(jì)量榆濟(jì)輸氣線來(lái)氣，日均氣量為1×106m3(圖5)。該流量計(jì)具有 4 個(gè)及以上超聲波測(cè)量聲道，能對(duì)輸送管道中的天然氣進(jìn)行高精度的測(cè)量。流量計(jì)通過(guò)接收成對(duì)超聲換能器的聲波信號(hào)，經(jīng)由信號(hào)采集電路和 DSP 微控制器組成的信號(hào)處理單元進(jìn)行運(yùn)算處理、顯示、儲(chǔ)存記錄測(cè)量結(jié)果，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4～20mA 、RS-232/RS-485/以太網(wǎng)(支持標(biāo)準(zhǔn) Modbus協(xié)議)和脈沖輸出信號(hào)。

1.4.2壓力傳感器

下游直管段上安裝壓力變送器，用于測(cè)量被測(cè)氣體的壓力，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號(hào)，通過(guò)專用計(jì)算機(jī)雙屏蔽鎧裝線纜接到流量計(jì)算機(jī)上用于壓力補(bǔ)償。

1.4.3溫度變送器

下游直管段上安裝有溫度一體式變送器，用于測(cè)量被測(cè)氣體的溫度，輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號(hào)，通過(guò)專用計(jì)算機(jī)雙屏蔽鎧裝線纜接到流量計(jì)算機(jī)上用于溫度補(bǔ)償。

1.4.4流量計(jì)算機(jī)

榆濟(jì)線來(lái)氣貿(mào)易交接采用標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量。柳屯增壓站采用流量計(jì)算機(jī)與超聲波流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器相結(jié)合完成標(biāo)況流量的測(cè)量，該流量計(jì)算機(jī)具有高精度補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)以及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信的功能。

流量計(jì)算機(jī)在流量計(jì)算時(shí)，通過(guò)串口通信或頻率輸入方式采集流量計(jì)的工況流量信息，并采集溫度和壓力變送器提供的信號(hào)(支持 HART信號(hào)，可以保持輸入精度)參與標(biāo)準(zhǔn)狀況的體積修正。流量計(jì)算機(jī)滿足 GB/T 18603—2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》及 JJG 1003—2005《流量積算儀檢定規(guī)程》等相關(guān)規(guī)定[2-3]，其內(nèi)部系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)合理，計(jì)量管理功能齊全，具有安全的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與大容量的儲(chǔ)存能力，各種被測(cè)參數(shù)的歷史記錄、報(bào)警記錄及配置參數(shù)修改記錄等都能可靠保存6a以上。該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)周密的可靠性設(shè)計(jì)，具有良好的電磁兼容和可靠性。在體積量運(yùn)算方面采用了以下幾種計(jì)算氣體壓縮因子(簡(jiǎn)稱Z因子)的方法，如： GB/T 17747，AGA NO.8，ISO 12213[4-5]。對(duì)于一些特定場(chǎng)所，也可以采用固定的Z因子。

1.5運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)超聲波流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)的要求[1]，制訂了日常操作、維護(hù)保養(yǎng)操作規(guī)程，并形成作業(yè)指導(dǎo)書(shū)《設(shè)備操作規(guī)程計(jì)量?jī)x表分冊(cè)》。操作規(guī)程中對(duì)超聲波流量計(jì)、溫度變送器、壓力變送器的運(yùn)前檢查、投運(yùn)操作、停運(yùn)操作、清洗拆卸操作做了明確的規(guī)定。

1.6數(shù)據(jù)比對(duì)

由于超聲波流量計(jì)用于天然氣分公司和天然氣產(chǎn)銷廠貿(mào)易交接計(jì)量，為了加強(qiáng)對(duì)流量計(jì)的管理和輸差考核，該廠采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)配套Floboss 103流量管理器對(duì)來(lái)氣同步計(jì)量，通過(guò)PLC采集流量管理器輸出的Modbus信號(hào)，讀取瞬時(shí)流量、溫度、壓力、差壓、當(dāng)日流量和累計(jì)流量等參數(shù)，通過(guò)組態(tài)軟件顯示相關(guān)參數(shù)，2015年1月、2月的比對(duì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。通過(guò)比對(duì)超聲波流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的流量計(jì)量，控制輸差在0.5%左右，有效控制輸差損耗造成的經(jīng)濟(jì)損失，計(jì)量數(shù)據(jù)管理可控。

2實(shí)施效果分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定的內(nèi)容，實(shí)施超聲波流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量方面的應(yīng)用，得出以下分析結(jié)果：

表1柳屯增壓站榆濟(jì)來(lái)氣計(jì)量數(shù)據(jù)比對(duì)

日期超聲波流量計(jì)/m3標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)/m3差值/m3輸差率,%01-271106679110197847010.4301-281161059115455665030.5601-291177537117205254850.4701-301170459116348469750.6001-311156818115209947190.4102-011039252103382354290.5302-021030064102319468700.6702-0398749597768798081.0002-049972029966085940.0602-05100210099217599251.0002-061005369100035750120.5002-0799050798441160960.6202-0896241895889935190.3702-091021720101781239080.3802-101031912102514367690.6602-111045662103934763150.6102-1297635097185144990.46

1) 計(jì)量準(zhǔn)確性高。經(jīng)過(guò)近1a的運(yùn)行，超聲流量計(jì)可靠準(zhǔn)確，基本實(shí)現(xiàn)了日常的“零”維護(hù)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，計(jì)量準(zhǔn)確性更高，不確定因素少。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)受節(jié)流裝置部件、安裝位置、流量計(jì)二次儀表等多種因素的影響，尤其使用過(guò)程中腐蝕、磨損、污油和引壓管等因素帶來(lái)的測(cè)量誤差影響更大。氣體超聲流量計(jì)沒(méi)有如節(jié)流裝置幾何形狀及尺寸變化影響儀表特性的問(wèn)題， 計(jì)量準(zhǔn)確性更高，不確定因素少，具有高精度、無(wú)壓損、低能耗、結(jié)實(shí)耐用、維護(hù)少的特點(diǎn)。

2) 計(jì)量可靠性高。超聲波流量計(jì)在設(shè)計(jì)之初，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)量系統(tǒng)方案，在流程區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)裝置串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的數(shù)據(jù)比對(duì)得出，同時(shí)對(duì)每臺(tái)超聲流量計(jì)進(jìn)行流量數(shù)據(jù)比對(duì)，可以有效避免輸差過(guò)大造成的經(jīng)濟(jì)損失，可大幅提高計(jì)量系統(tǒng)的可信度。

3) 應(yīng)用前景廣。由于氣體超聲流量計(jì)具有可測(cè)量氣體的單雙向流量、量程比大、標(biāo)定周期較長(zhǎng)、準(zhǔn)確度高、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，隨著“文96”儲(chǔ)氣庫(kù)的發(fā)展和“文23”儲(chǔ)氣庫(kù)的建立，采用超聲波流量計(jì)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣進(jìn)行計(jì)量勢(shì)在必行。同時(shí)，根據(jù)天然氣產(chǎn)銷廠自身特點(diǎn)，在外銷口使用小型超聲波流量計(jì)，能有效避免因?yàn)閭鹘y(tǒng)流量計(jì)低限運(yùn)行造成的氣量損失。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理、現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)條件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)比對(duì)等方面進(jìn)行了分析和測(cè)試，不斷提高超聲波流量計(jì)管理能力和計(jì)量精細(xì)化管理水平，為今后推廣使用超聲波流量計(jì)做好技術(shù)儲(chǔ)備具有重要的意義。

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Application Analysis of Gas Ultrasonic Flowmeter in Natural Gas Flow Measurement

Wang Cunwei

(Natural Gas Production & Marketing Plant， Sinopec Zhongyuan Oil Field， Puyang， 457162， China)

Abstract：Application of ultrasonic flowmeter in natural gas flow measurement is introduced according to latest standard of GB/T 18604—2014“Measurementofnaturalgasflowbygasultrasonicflowmeters”. The measurement principle of time difference ultrasonic flowmeter is expounded. The onsite technical installation conditions are evaluated. The system constitution of natural gas flow measurement with ultrasonic flowmeter is introduced from the aspects of software and hardware. The measurement result of ultrasonic flowmeter is verified through data comparison method. The result proves the accuracy and reliability of ultrasonic flowmeter are high， and is easy to supervise and inspect exchange gas amount for trade to improve metering delicacy management.

Key words：ultrasonic flowmeter; gas storage; natural gas; flow measurement

中圖分類號(hào)：TH814

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0069-04

作者簡(jiǎn)介：王存?zhèn)?，男，現(xiàn)就職于中國(guó)石化股份有限公司中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，從事天然氣集輸計(jì)量管理工作，任工程師。

稿件收到日期：2015-07-22，修改稿收到日期：2015-09-22。