超聲波流量計(jì)診斷技術(shù)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

高飛

(中石化西北油田分公司 油氣運(yùn)銷部，新疆 輪臺(tái) 841600)

中石化西北油田分公司油氣運(yùn)銷部負(fù)責(zé)塔河油田天然氣的輸送及銷售，計(jì)量銷售主要通過流量計(jì)，所轄共計(jì)33處天然氣貿(mào)易計(jì)量交接點(diǎn)均使用多聲道超聲波流量計(jì)。近幾年，該公司天然氣產(chǎn)銷規(guī)模在不斷增加，其中通過超聲波流量計(jì)計(jì)量銷售的天然氣氣量占比很大。2016～2018年該公司通過超聲波流量計(jì)計(jì)量銷售氣量依次為9.9×108m3(占全年產(chǎn)量的90.8%)、1.02×109m3(占全年產(chǎn)量的81.6%)、1.1×109m3(占全年產(chǎn)量的81.5%)。因此，超聲波流量計(jì)在天然氣貿(mào)易計(jì)量中起到了關(guān)鍵性作用，其計(jì)量準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性密切關(guān)系著該公司的經(jīng)濟(jì)效益。

1 超聲波流量計(jì)診斷系統(tǒng)的建立及重要參數(shù)診斷

1.1 診斷系統(tǒng)的建立

庫車門站為雅-庫天然氣外輸系統(tǒng)的終端，設(shè)計(jì)輸氣量2.8×106m3/d，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，主要向4家用戶輸氣，是該公司天然氣外銷量最大的站庫之一，目前外銷量約為1.8×106m3/d，超聲波流量計(jì)在天然氣貿(mào)易交接站庫應(yīng)用以來，流量計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)受到交接雙方的廣泛關(guān)注，根據(jù)近兩年天然氣外銷的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，與流量計(jì)制造廠商合作，優(yōu)先選擇在該門站建設(shè)超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

1.2 超聲波流量計(jì)計(jì)量性能監(jiān)控參數(shù)

1.2.1信號質(zhì)量

信號質(zhì)量是按通道標(biāo)明脈沖的接收程度，每一個(gè)接收到的信號都用以流量計(jì)量，是體現(xiàn)儀表性能的重要參數(shù)之一。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，信號質(zhì)量可能會(huì)受到影響： 流動(dòng)條件發(fā)生變化，即高流速狀態(tài)下不同速度層之間的剪切作用，非規(guī)則流型，流量計(jì)腔體對外側(cè)聲道的邊緣效應(yīng)，嚴(yán)重的湍流等發(fā)生后，導(dǎo)致信號質(zhì)量出現(xiàn)問題；受到外界環(huán)境噪音和超聲聲學(xué)噪音干擾；氣體介質(zhì)自身的條件，氣體中存在的顆?；蛘咭旱我约皳Q能器前端的污染物會(huì)使信號散射、消弱、衰減。

當(dāng)信號質(zhì)量小于100%，但是若在最大流量的50%時(shí)信號質(zhì)量未達(dá)到100%，應(yīng)核查超聲波流量計(jì)[1]，可從減小流速、分析超聲噪音產(chǎn)生的原因和途徑、控制介質(zhì)流動(dòng)條件等方面排除超聲波流量計(jì)的故障。

1.2.2增益值

增益值指增強(qiáng)換能器接收到的信號值后才能達(dá)到所需要的振幅強(qiáng)度。超聲波流量計(jì)會(huì)根據(jù)信號強(qiáng)度的衰減情況自動(dòng)調(diào)整增益值，以調(diào)整信號強(qiáng)度[2]，避免因?yàn)樾盘栔挡▌?dòng)導(dǎo)致漏檢或者誤判。

管道壓力、氣體流速、介質(zhì)的臟污情況等是影響增益值的主要因素，當(dāng)某聲道的增益值超過閾值或過大時(shí)，說明超聲波換能器所接收的信號過小，應(yīng)清洗該聲道探頭，同時(shí)考慮拆檢換能器并進(jìn)行清洗或更換。

1.2.3信噪比

信噪比是接受到的信號值與背景噪聲值的比率[3]。通常情況下，超聲波流量計(jì)在正常工作時(shí)其信噪比值較高，當(dāng)出現(xiàn)低信噪比時(shí)意味著背景噪音的出現(xiàn)，可能存在控制閥噪聲或是超聲波換能器臟污需要清洗等情況。

1.2.4聲 速

聲速是超聲換能器發(fā)出的超聲波在流體中的傳播速度。聲速的大小受氣體組分、溫度、壓力的影響[4-5]。在理想狀態(tài)下，若保證計(jì)算聲速與測量聲速準(zhǔn)確，通過計(jì)算聲速與測量聲速偏差可以確定流量計(jì)計(jì)量的精確度，判斷計(jì)量是否有偏差。

1.3 氣體流動(dòng)狀態(tài)

超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度依賴于氣體的流動(dòng)狀態(tài)，理想條件下，進(jìn)入流量計(jì)的天然氣流態(tài)應(yīng)是對稱的、充分發(fā)展的紊流流速分布，不規(guī)則的流態(tài)分布會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1.3.1流速特性

流速特征包括各聲道流速、平均流速以及流速剖面系數(shù)等，其中剖面系數(shù)是指靠近圓心的兩個(gè)聲道流速與外側(cè)2個(gè)聲道流速的比值[6]，四聲道超聲波流量計(jì)剖面系數(shù)的計(jì)算公式為

PF=(vB+vC)/(vA+vD)

(1)

式中：vA——流量計(jì)外側(cè)上部聲道流速；vB——靠近圓心處上部聲道流速；vC——靠近圓心處下部聲道流速；vD——外側(cè)下部聲道流速。

理想情況下的剖面系數(shù)為1.17。若剖面系數(shù)超出1.17±0.05(DN200管徑以上)、1±0.05(DN200管徑以下)時(shí)，可以初步判斷為漩渦或上游整流器部分堵塞、管線流態(tài)不好，基于此，排查并處理故障。

1.3.2對稱性、橫流值、漩渦角、擾動(dòng)值的計(jì)算

針對超聲波流量計(jì)，制造廠商推薦對稱性值應(yīng)滿足1±0.05，其計(jì)算公式為

Sym=(vA+vB)/(vC+vD)

(2)

橫流值滿足1±0.025，計(jì)算公式為

Cf=(vA+vC)/(vB+vD)

(3)

此時(shí)漩渦角小于2°，擾動(dòng)值反映管道內(nèi)部氣體狀態(tài)的參數(shù)，受氣體流態(tài)、振動(dòng)、溫度、噪音等因素的影響，擾動(dòng)值參考標(biāo)準(zhǔn)小于10%[7-8]。

2 遠(yuǎn)程診斷技術(shù)在天然氣貿(mào)易計(jì)量中的應(yīng)用

2.1 貿(mào)易計(jì)量診斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

自超聲波流量計(jì)診斷系統(tǒng)投用以來，該公司計(jì)量人員每月定期進(jìn)行聲速核查以及流量計(jì)各參數(shù)診斷核查。以Daniel超聲波流量計(jì)為例，對某用戶超聲波流量計(jì)計(jì)量管路進(jìn)行為期約5個(gè)月的診斷與跟蹤評價(jià)，對基本診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

根據(jù)流量計(jì)廠商監(jiān)測參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的建議，對比診斷參數(shù)與監(jiān)控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，發(fā)現(xiàn)流速剖面系數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值，判斷管道內(nèi)流體流態(tài)發(fā)生較大變化，影響流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性[9]。后期清洗了超聲波流量計(jì)探頭，同時(shí)加裝整流器，優(yōu)化流體流態(tài)，運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常，流量計(jì)流態(tài)變化見表1 所列。因此長期跟蹤超聲波流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)可作為流量計(jì)生命周期管理、診斷、檢維護(hù)的可靠依據(jù)。

2.2 超聲波流量計(jì)診斷軟件解決現(xiàn)場故障實(shí)例

庫車門站計(jì)量崗人員反映某用戶天然氣流量計(jì)瞬時(shí)流量忽大忽小或無瞬時(shí)量的情況。通過MeterLink診斷軟件對該流量計(jì)進(jìn)行核查。該流量計(jì)A，C通道測量的流速在-30～20 m/s大幅跳動(dòng)，D通道無任何信號，發(fā)生報(bào)警，推斷出A，C，D 3個(gè)通道出現(xiàn)一定故障[10]。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)基本判定A，C，D通道的探頭受污染或損壞。采取相應(yīng)措施，切換流程、泄壓，現(xiàn)場拆解超聲波流量計(jì)探頭，發(fā)現(xiàn)4個(gè)通道探頭被黑色粉末覆蓋，有不同程度的污染，清洗探頭后診斷數(shù)據(jù)顯示各指標(biāo)正常，超聲波流量計(jì)運(yùn)行正常。

圖1 超聲波流量計(jì)核查基本診斷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)示意

表1 超聲波流量計(jì)流態(tài)變化對比

2.3 超聲波流量計(jì)診斷軟件解決計(jì)量糾紛

庫車門站某用戶反映該站計(jì)量數(shù)據(jù)比廠內(nèi)的天然氣總進(jìn)站流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)高10%左右。雙方人員核對兩方的計(jì)量流程，通過診斷軟件診斷超聲波流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)核查該公司的流量計(jì)、壓變、溫變、運(yùn)行狀態(tài)都完好，流量計(jì)內(nèi)徑等各參數(shù)設(shè)置正確，計(jì)量系統(tǒng)通信正常，未發(fā)現(xiàn)影響計(jì)量準(zhǔn)確性的問題。

同時(shí)對用戶的流量計(jì)進(jìn)行診斷，顯示其廠內(nèi)超聲波流量計(jì)A，B，C，D 4個(gè)通道中，A通道無法測量流量，D通道聲速、增益等指標(biāo)超標(biāo)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場壓力變送器與流量計(jì)算機(jī)的絕壓程序不匹配。綜合結(jié)果表明，用戶廠內(nèi)流量計(jì)的性能和壓力變送器配置不正確導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，是雙方數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的根本原因。同時(shí)進(jìn)一步說明超聲波流量計(jì)診斷軟件在處置現(xiàn)場故障和處理用戶糾紛方面發(fā)揮了重要作用。

3 結(jié)束語

開展超聲波流量計(jì)遠(yuǎn)程診斷以后，計(jì)量技術(shù)人員按時(shí)對超聲波流量計(jì)進(jìn)行診斷核查，保證流量計(jì)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，大幅提高了計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提高了計(jì)量精度和復(fù)現(xiàn)性，有效提高了天然氣輸差原因分析的科學(xué)性，同時(shí)降低了維護(hù)成本，為計(jì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、提高計(jì)量管理工作的精細(xì)化管理發(fā)揮了重要作用。