超聲波流量計在天然氣長輸管道計量中的影響

卜慶超

（國家管網(wǎng)集團 天津天然氣管道有限責(zé)任公司，天津 300457）

目前中國正處于能源大發(fā)展時期，天然氣需求逐年增加，加快建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系是國家實施能源戰(zhàn)略，打贏能源攻堅戰(zhàn)的必由之路。隨著國內(nèi)天然氣市場的快速發(fā)展，天然氣交易額穩(wěn)步提升，對天然氣貿(mào)易交接精度要求越來越高，因此如何保證計量精度，實現(xiàn)準(zhǔn)確計量成為天然氣貿(mào)易交接中的關(guān)鍵因素[1]。

超聲波流量計相比于其他流量計具有無節(jié)流件、高精度、壓損小、耐腐蝕等特點，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)長輸管道天然氣計量系統(tǒng)。

1 超聲波流量計工作原理

聲波作為一種機械輻射能，是以實際物質(zhì)為載體的縱向壓力波，當(dāng)物質(zhì)在大氣中發(fā)生振動時便產(chǎn)生聲波。聲速的定義為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，受介質(zhì)的彈性與密度的影響[2]。超聲波流量計通過超聲換能器（又稱“探頭”）產(chǎn)生超聲波，由一個探頭發(fā)射另一個接收，在流動介質(zhì)中聲波由上游向下游的傳輸時間小于聲波由下游向上游的傳輸時間，這兩個時間之差與氣體的流速存在對應(yīng)關(guān)系，通過這種時間差法可以得到介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)流速[3]。

1.1 流速計算

天然氣長輸管道中，超聲波流量計工作截面如圖1所示。氣體流動方向從左至右，故稱A端為上游，B端為下游。

圖1 超聲波流量計工作截面圖Fig.1 Working section of ultrasonic flowmeter

由于A與B的距離確定，且A端處于氣流上游，B端處于氣流下游，因而超聲波在氣流的作用下從A至B的傳播時間小于從B至A的傳播時間[4]。

超聲波由A至B的傳播時間t1為：

超聲波由B至A的傳播時間t2為：

式中，L為探頭端面間的距離（又稱“聲程”），m；θ為管道軸線與探頭端面連線的夾角（又稱“聲道角”）；c為超聲波在靜態(tài)介質(zhì)中的聲速，m/s；υ為管道內(nèi)氣體沿軸線方向的流速，m/s；t1、t2分別為超聲波順流與逆流的傳播時間，s。

根據(jù)式（1）、式（2）可得到c、υ分別為：

式中，t1與t2為超聲波流量計測得數(shù)據(jù)，因此只需知道聲程L和聲道角θ即可計算出管道內(nèi)氣體流速。

1.2 操作條件下的流量計算

操作條件下管道內(nèi)氣體的瞬時流量指單位時間內(nèi)通過管道橫截面積的流量值，即操作條件下的流量為管道內(nèi)氣體的平均流速與管道橫截面積的乘積[5]，如式（5）所示。

式（5）中，q為操作條件下氣體的瞬時流量，m3/h；D為管道內(nèi)徑，m；V為管道內(nèi)氣體沿軸線方向的平均流速，m/s。

由于長輸管道內(nèi)壁為非光滑曲面，氣體與管道內(nèi)壁摩擦?xí)绊懥魉?，因而靠近管壁位置氣體流速相對較慢，靠近中心位置氣體流速相對較快。為準(zhǔn)確計算V，消除因摩擦造成的計算偏差，設(shè)置權(quán)重因子，探頭分布不同，權(quán)重因子取值不同[6]，如式（6）所示。

式（6）中，N為聲道數(shù)量；?為權(quán)重因子。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量計算

目前國內(nèi)進行的天然氣貿(mào)易交接均為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣體積交接，因此需要將操作條件下的體積量變換為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積量，如式（7）所示[7]。

式（7）中，Q為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣瞬時體積流量，m3/h；Pf為操作條件下的壓力值，MPa；Pn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓力值，MPa；Tn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；Tf為操作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子；Zf為操作條件下的壓縮因子。

由于氣體具有可壓縮性，因而長輸管道內(nèi)的天然氣在不同的壓力、溫度、組成體系下將體現(xiàn)出不同的壓縮性能[8]。

2 超聲波流量計計量影響因素

2.1 探頭工作效率對計量的影響

超聲波流量計可移動部件較少，主要由表體、超聲換能器、信號處理單元組成，超聲換能器作為超聲波流量計的核心部件，負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)射與接收[9]。根據(jù)式（4）可知，管道內(nèi)氣體流速計算與超聲波順流和逆流傳播時間、聲程及聲道角有關(guān)，而聲程和聲道角為超聲波流量計固有屬性，因此超聲換能器工作狀態(tài)決定流速測量精度[10]。

1）探頭缺陷

天津管道某計量交接站使用Elster六通道超聲波流量計作為貿(mào)易交接儀表，正常供氣期間發(fā)現(xiàn)該流量計偏差較大。

對該超聲波流量計數(shù)據(jù)進行查驗，發(fā)現(xiàn)該流量計5通道探頭使用率較低，為30%～60%（正常應(yīng)為100%），同時5通道流速（VOG）明顯低于其他通道。由于探頭分布具有沿管道軸線對稱性，相同環(huán)境下對應(yīng)探頭間流速相同，即υ(A)=υ(F)、υ(B)=υ(E)、υ(C)=υ(D)[11]，因而判斷偏差是由 5通道數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致。在對流量計傳輸系統(tǒng)檢查確認(rèn)無誤后，對流量計探頭進行檢查，發(fā)現(xiàn)該流量計5通道上游探頭存在明顯缺陷，如圖2所示。對5通道探頭進行更換，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖2 超聲波流量計探頭缺陷Fig.2 Probe defects of ultrasonic flowmeter

探頭為超聲波流量計發(fā)射、接收聲波的部件，對設(shè)備運行起著關(guān)鍵作用。根據(jù)式（4）可知，超聲波發(fā)射與接收聲波效率影響管道內(nèi)氣體流速計算，進而影響計量精度[12]。上例中，由于探頭缺陷，導(dǎo)致5通道計算流速偏低，影響計量準(zhǔn)確性。

2）探頭故障

超聲波流量計探頭工作狀態(tài)可通過流量計配套軟件進行檢查，不同型號的流量計對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如信號質(zhì)量、信噪比、增益等。當(dāng)正常運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值超過標(biāo)準(zhǔn)值時，需及時對流量計進行檢查，避免產(chǎn)生計量誤差[13]。

天津管道某計量站使用Daniel四聲道超聲波流量計，某日正常輸氣期間外輸故障報警，信號傳輸中斷。對采集到的壓力、溫度和氣體組成核查無誤后，對流量計本體進行檢查，發(fā)現(xiàn)此流量計A通道探頭增益超過正常值見表1。根據(jù)GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》要求，超聲波流量計各通道間聲速偏差小于0.2%，該流量計聲速偏差超過規(guī)定值見表2。

表1 流量計增益值Table 1 Flowmeter gain

表2 流量計各通道聲速值Table 2 Sound velocity value of flowmeter

超聲波流量計的增益表示可以正常接收信號時的強度。當(dāng)增益超過正常值時，可能因為探頭故障、探頭表面臟污或者干擾信號過強等，影響有效信號的接收。根據(jù)上述檢測結(jié)果，初步判斷是探頭表面臟污導(dǎo)致，對探頭清洗后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，如圖3所示。

圖3 超聲波流量計診斷結(jié)果Fig.3 Flowmeter diagnosis results

2.2 氣質(zhì)和噪聲對計量的影響

除探頭本身原因外，管道內(nèi)氣質(zhì)情況、上下游噪聲等都會影響超聲波流量計的計量精度[14]。

GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中指出，天然氣氣質(zhì)對氣體超聲波流量計影響較大，尤其是粉塵、凝析油等對氣體超聲波流量計計量性能的影響較大。這些臟污在管壁和換能器上附著和堆積，如果現(xiàn)場清洗維護工作不及時，可能會帶來較大的計量偏差。研究表明，探頭臟污可對流量計流量輸出帶來0.3%以上的偏差。中國長輸管道氣源多來自于國內(nèi)氣田、LNG接收站、境外管道輸入，氣質(zhì)情況無法保持一致。為防止因氣質(zhì)造成的計量誤差，超聲波流量計前常設(shè)有過濾分離裝置，如圖4所示。

圖4 過濾分離裝置Fig.4 Filtration and separation device

噪聲與氣體流速、場站工藝相關(guān)，根據(jù)《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第2部分：物理因素》的規(guī)定，當(dāng)噪聲超過85dB時，將對人的聽力、神經(jīng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生影響，場站人員長時間接觸噪聲，勢必對身心造成傷害；同時當(dāng)噪聲頻率范圍與超聲波流量計工作頻率相近時，將干擾探頭接收信號，影響流速計算[15]。AGA No.9報告和ISO 17089提出了如何減少噪聲對超聲波流量計的影響以及實用性的要求，如對于流量計生產(chǎn)廠家而言，應(yīng)增強流量計的信號處理能力，改善對聲脈沖的識別和檢測，同時提高濾波能力；對于使用者而言，可在流量計和噪聲源之間安裝管路附件（如：過濾器、盲三通等）來隔離噪聲。此外，噪聲源相對于流量計的安裝位置（上游還是下游）、相對距離、流量計與噪聲源之間的管件類型和數(shù)量等尤為重要。靜音調(diào)節(jié)閥雖然可降低場站的噪聲，但其產(chǎn)生的頻率往往較高，可達(dá)到超聲波流量計的工作頻率，易造成探頭誤接收，影響計量精度。因此，常通過設(shè)計π型管降低設(shè)備噪聲，如圖5所示。

圖5 降低噪聲裝置Fig.5 Noise reduction device

2.3 壓力對計量的影響

根據(jù)式（7）可知，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量值與操作條件下的流量值、壓力、溫度、氣體組成有關(guān)，因此準(zhǔn)確計算操作條件下的流量、提取壓力、溫度、氣體組成對準(zhǔn)確計算標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量，實現(xiàn)公平貿(mào)易交接起著決定作用[16]。

天津管道某計量站使用的是羅斯蒙特壓力變送器進行壓力補償，因設(shè)備到期對其進行維護與檢定，完成后回裝。工作當(dāng)日發(fā)現(xiàn)輸氣量偏差較大，對該站流量計檢查無誤后，利用FLUKE 754過程校驗儀（精度為0.5‰）對該壓力變送器進行檢測，如圖6所示。

圖6 過程校驗儀Fig.6 FLUKE 754

根據(jù)JJG882-2019《壓力變送器檢定規(guī)程》要求，壓力變送器誤差不應(yīng)超過準(zhǔn)確度等級對應(yīng)的輸出量程百分比。通過檢測發(fā)現(xiàn)，該壓力變送器反饋壓力值比標(biāo)準(zhǔn)器高約30kPa，超出規(guī)范要求見表3，對該壓力變送器重新校驗后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

表3 壓力變送器數(shù)據(jù)Table 3 Data of pressure transmitter

上述案例中，由于壓力變送器反饋壓力值高于真實值，導(dǎo)致計量結(jié)果偏高。天然氣長輸管道中，除了壓力因素外，溫度、氣體組成同樣影響計量結(jié)果。根據(jù)美國氣體協(xié)會1992年發(fā)布的計算壓縮因子的AGA 8報告可知，壓縮因子的計算也與壓力、溫度和氣體組成相關(guān)。因此，需及時更新天然氣組分，定期核對采集數(shù)據(jù)，避免因數(shù)據(jù)偏移造成的計量誤差。此外，使用中要利用超聲波流量計的自診斷功能，加強聲速測量的監(jiān)測診斷，把控流量計性能，減少計量偏差，增加計量準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

超聲波流量計在天然氣長輸管道計量中，首先通過時間差法測得氣體流速，再通過管道內(nèi)徑計算氣體操作條件下的流量，最后利用壓力、溫度、氣體組成計算氣體壓縮因子，將操作條件下的流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量，進行貿(mào)易交接。

本文總結(jié)了在天然氣長輸管道計量中的一些常見問題及應(yīng)對措施，其中探頭工作效率，壓力、溫度、壓縮因子采集精度都是影響計量結(jié)果的常見因素。因此，需定期清洗探頭，測試探頭工作狀態(tài)，核查壓力、溫度、氣體組成的采集情況，確保計量準(zhǔn)確。