新型多管路超聲波流量計量撬的研制與應(yīng)用

常艷兵，胡連鋒

(中國石油工程建設(shè)有限公司 西南分公司，四川 成都 610041)

近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，以西氣東輸、陜京一線及二線、川氣東送為代表的天然氣管道陸續(xù)建成，并投產(chǎn)運行，超聲波流量計被廣泛應(yīng)用于管道的天然氣計量中，在高壓力、大口徑、大流量天然氣計量中充分發(fā)揮了優(yōu)勢，并得到計量交接雙方的認可[1-4]。天然氣流量計計量結(jié)果是供需雙方貿(mào)易結(jié)算過程中的一項重要的依據(jù)，計量結(jié)果的準確性，保證了貿(mào)易結(jié)算的公平，也能避免貿(mào)易交接過程中出現(xiàn)的計量糾紛，并在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，提高了社會、經(jīng)濟效益。因此，研制與設(shè)計一套合理的天然氣計量系統(tǒng)尤為重要。

1 天然氣計量系統(tǒng)的構(gòu)成和選型

1.1 天然氣計量系統(tǒng)構(gòu)成

天然氣計量系統(tǒng)通常由計量儀表、工藝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

1)計量儀表。通常由流量計、相應(yīng)配套的流量計算機、壓力變送器、溫度變送器、組分分析儀表等構(gòu)成。

2)工藝系統(tǒng)。通常由裝置前部入口匯管、后部出口匯管、并聯(lián)的流量計管路上的閥門、流量計前后直管段、流動調(diào)整器等構(gòu)成。除在線水露點測量儀、在線硫化氫測量儀、在線色譜分析儀、流量計算機外，計量儀表均在工藝系統(tǒng)上安裝。

3)控制系統(tǒng)。主要完成數(shù)據(jù)采集、流程切換、計量系統(tǒng)自動閥門控制、計算機處理等功能，計量控制系統(tǒng)利用流量計配套的流量計算機對壓力、溫度、流量、組分等信號進行采集，并上傳計量數(shù)據(jù)至站場控制系統(tǒng)[5]，最后通過站場控制系統(tǒng)將控制數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)等上傳至控制中心。

1.2 天然氣計量系統(tǒng)的選型

1.2.1 流量計選型

目前，天然氣計量系統(tǒng)中使用的流量計類型包括超聲波流量計、渦輪流量計、質(zhì)量流量計、標準孔板流量計、羅茨流量計、旋進旋渦流量計。流量計選型時要結(jié)合流體特性、儀表性能、安裝條件、經(jīng)濟因素和環(huán)境條件等幾個方面綜合考慮。不同類型流量計的對比見表1所列。

表1 不同類型流量計對比

1.2.2 超聲波流量計和渦輪流量計對比

在天然氣貿(mào)易交接計量中，超聲波流量計和渦輪流量計是最常用的兩種類型。為了便于對比，選用口徑均為DN80的兩種流量計，從測量原理、測量范圍等方面對兩者進行了對比，對比結(jié)果見表2所列。

表2 超聲波流量計和渦輪流量計對比

續(xù)表2

從表2中可以看到，超聲波流量計與渦輪流量計相比，在工作原理、試驗室精確度、重復(fù)性、溫壓補償、直管段安全要求等方面具有相同點；而超聲波流量計具有始動流量較小、壓損小、無需定期維護、無機械磨損等方面的優(yōu)點，應(yīng)用更為廣泛。

1.2.3 天然氣計量系統(tǒng)撬裝

天然氣計量撬是指將系統(tǒng)中的儀表、設(shè)備及管線，采用對應(yīng)的管托、管架作為支撐，并固定在整體的一個鋼結(jié)構(gòu)平臺上，構(gòu)成整體的集成裝置。撬裝設(shè)備在撬廠制造完成后，運抵現(xiàn)場，對基座進行安裝，并連接與上、下游管道，配電電纜、信號電纜分別接至撬內(nèi)接線箱、配電箱后，方可投入使用。天然氣計量系統(tǒng)組撬時，要充分考慮工程投資、工程計量精度、現(xiàn)場地址條件、運輸條件、安裝條件等的要求。

2 新型多管路超聲波流量計量撬的設(shè)計與研制

2.1 設(shè)計思路及主要技術(shù)指標

通過前文分析，與傳統(tǒng)的流量計相比，超聲波流量計能較方便地實現(xiàn)非接觸性測量，具有不改變流體狀態(tài)、安裝維修方便、不受管道口徑限制、適合于各種管徑的測量等諸多優(yōu)點，是目前天然氣貿(mào)易交接計量過程中，最常用的流量計。按照測量原理劃分，超聲波流量計的測量原理分為頻差法、相位法和時差法，其中時差法準確度高，抗干擾能力強，應(yīng)用最為廣泛。

在實際工作過程中，處在上、下游的換能器將同時發(fā)射超聲波脈沖，1束脈沖信號為逆流傳播，另1束脈沖信號為順流傳播，氣流的作用將使2束脈沖以不同的傳播時間到達接收換能器。由于2束脈沖傳播的實際路程相同，因此傳輸時間的不同直接反映了氣體流速的大小，通過測量超聲波在逆流和順流時的傳輸時間，獲得各聲道天然氣的流速和聲速，按照不同聲道的加權(quán)值對氣體流速平均，經(jīng)修正后獲得天然氣平均流速，并以此為依據(jù)，計算天然氣在工況和標況的體積流量。

傳統(tǒng)的多管路超聲波流量計在使用過程中由于混合不均勻，導(dǎo)致超聲波流量計誤報、現(xiàn)場安裝速度慢、質(zhì)量難以保證等缺陷的產(chǎn)生，在一定程度上影響了超聲波流量計的計量精度。為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供了一種新型多管路超聲波流量計量撬。

新型多管路超聲波流量計量撬應(yīng)充分結(jié)合國內(nèi)當(dāng)前和近期可能達到的校驗?zāi)芰σ?，要滿足相關(guān)計量精度和設(shè)計負荷要求，還要考慮采購過程、校驗過程、運行、維修成本等因素。在已建和在建天然氣管道中，比較常用的超聲波流量計口徑規(guī)格有DN100，DN150，DN250，DN300，DN400。為校驗方便，優(yōu)先選用口徑不大于DN400的流量計，綜合考慮成撬后的運輸便捷性和在線校驗的可行性，單撬建議不超過5路，超聲波計量管流速設(shè)計上限宜控制在25 m/s以內(nèi)[6-7]。

該次新型多管路超聲波流量計量撬應(yīng)用的工況條件為： 計量介質(zhì)為天然氣；工藝系統(tǒng)設(shè)計壓力為10 MPa；工作環(huán)境溫度為-20～60 ℃；工況流量3.0×103～2.5×105m3/h；進口、出口管路直徑為DN300；防護等級優(yōu)于IP65；防爆等級優(yōu)于Exd IIB T4；由A，B，C，D，E共5個模塊拼接而成，拼接后總體尺寸為25.5 m×15 m×4 m。

2.2 組成及結(jié)構(gòu)

新型多管路超聲波流量計計量撬裝置，主要由超聲波流量計、溫度/壓力測量儀表等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多管路超聲波計量撬工藝原理流程示意

上游氣源(可為多路氣源)經(jīng)過計量撬入口管匯進入計量撬，通過在線色譜分析小屋后進行分流，分5路進入下游管路系統(tǒng)。每路計量前后均設(shè)有軌道球閥，并在上游軌道球閥設(shè)置旁通小閥，用于管道緩慢充氣，避免流量計壓差過高和流速過高，同時便于超聲波流量計啟用前的零流量測試。為縮短超聲波流量計上游直管段長度，在流量計上游10D處設(shè)置了整流器。為實現(xiàn)超聲波流量計相互比對和互為備用，設(shè)置了超聲波流量計比對流程，如果上游有多路氣源，管匯混合長度不宜小于5 m。

2.3 設(shè)備選型

采用5臺口徑為DN300、量程為3.0×103～2.5×105m3/h的超聲流量計對每路天然氣進行計量。壓力變送器為智能壓力變送器，量程范圍為0～10 MPa；溫度變送器為智能型，量程范圍-20～70 ℃；選用1臺在線色譜分析小屋可實現(xiàn)在線實時的組分分析。超聲波流量計的前、后管路上，選用密封性能良好的軌道球閥，防止并聯(lián)計量管路的泄漏。根據(jù)天然氣站場防火、防爆要求，裝置采用防火、防爆設(shè)計，電氣系統(tǒng)、儀表設(shè)備均選用防爆型。

2.4 控制系統(tǒng)功能設(shè)置

控制系統(tǒng)主要包括以下3個功能：

1)對溫度變送器、壓力變送器、超聲波流量計及在線色譜分析小屋的測量數(shù)據(jù)，進行匯總、收集、處理、計算、存儲及結(jié)果的輸出。

2)對電動軌道球閥實現(xiàn)開關(guān)操作及流程切換。

3)通過遠程控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、編程組態(tài)以及數(shù)據(jù)庫的管理和維護工作。

2.5 模塊拼接構(gòu)成

新型多管路超聲波流量計計量撬，由模塊A，B，C，D，E組合拼接而成，計量撬模塊構(gòu)成如圖2所示。

圖2 新型多管路超聲波流量計計量撬模塊構(gòu)成示意

1)模塊A。包括計量撬入口匯管、在線色譜分析小屋、計量上游切斷閥及其平衡氣管路上游的球閥、雙作用節(jié)流截止放空閥。

2)模塊B。包括3路計量上游切斷閥后管路、整流器、超聲波流量計及下游溫度計。

3)模塊C。與模塊B類似，包括2路計量上游切斷閥后管路、整流器、超聲波流量計及下游溫度計。

4)模塊D。包括4路計量比對流程切換閥及每路計量管路放空。

5)模塊E。包括每路計量末端出口軌道球閥和出口匯管管路。

3 結(jié)束語

1)高壓大流量天然氣計量中，超聲波流量計優(yōu)勢明顯，綜合考慮運輸方便性與校驗的可行性，建議單撬不宜超過5路，計量管路口徑不宜超過DN300。

2)設(shè)計研制了一套新型多管路超聲波流量計量撬，采用模塊化拼接的方式，克服了常規(guī)散裝安裝方式占地面積大、施工周期長等缺陷，使安裝方式更為便捷可靠。

3)入口管匯的進氣和分流方式，更容易確保上游氣源充分混合，使每路超聲波流量計流體介質(zhì)混合更為均勻，確保了管匯在線色譜分析小屋數(shù)據(jù)更具有代表性，有利于提高商品貿(mào)易計量的精度。

4)計量比對撬(模塊B)，包括2路計量和1路比對流程，可實現(xiàn)流量計互為備用和相互比對功能。