聶文

影響超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的因素與對(duì)策

聶文

(中石化天然氣有限公司 榆濟(jì)管道分公司，山東 濟(jì)南 250000)

超聲波流量計(jì)作為天然氣計(jì)量領(lǐng)域的常用計(jì)量器具，其計(jì)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著管輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。從超聲波流量計(jì)工作原理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境、條件出發(fā)，對(duì)其影響因素進(jìn)行了分類研究，并確定了主要因素，根據(jù)影響因素的特點(diǎn)分析探討了改善其計(jì)量性能相應(yīng)的對(duì)策，以保證超聲波流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性，使超聲波流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)得到更好的應(yīng)用。

超聲波流量計(jì) 計(jì)量準(zhǔn)確性 因素 對(duì)策

天然氣長(zhǎng)輸管道具有運(yùn)行壓力高、輸氣量大、輸送距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，在天然氣貿(mào)易交接方面對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確性要求較高。氣體超聲波流量計(jì)具有量程比寬、壓力損失小、無(wú)可動(dòng)部件、適用于大口徑管道等特點(diǎn)，較好地滿足了天然氣長(zhǎng)輸管道的計(jì)量需求，在中國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)與其他計(jì)量?jī)x表一樣，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中會(huì)受到各種因素的干擾，因而影響儀表計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1 超聲波流量計(jì)工作原理

超聲波流量計(jì)為獨(dú)立測(cè)量設(shè)備，由多個(gè)位于管線內(nèi)壁的超聲傳感器組成。傳感器由緊固機(jī)械裝置插入管道中，超聲脈沖被2個(gè)傳感器交替地發(fā)射和接收。由于超聲波在逆流和順流情況下的傳輸時(shí)間tu和td不同，通過(guò)時(shí)差法可以計(jì)算得到流體流速，工作原理如圖1所示。超聲波流量計(jì)還可以配置成雙向計(jì)量模式，精度不變。

圖1 超聲波流量計(jì)工作原理示意

當(dāng)順流傳播時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間為

td=L/(C+vcosφ)

(1)

當(dāng)逆流傳播時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間為

tu=L/(C-vcosφ)

(2)

由式(1)，(2)聯(lián)立推導(dǎo)出流體流速和流量的計(jì)算公式如下：

(3)

qV=vA

(4)

式中：C——超聲波在靜態(tài)氣體中的聲速，340m/s;qV——流體在管道中的工況流量，m3/h；A——管道橫截面積， m2；v——?dú)怏w的流速，m/s。

標(biāo)準(zhǔn)狀況下瞬時(shí)流量為

(5)

式中：qVn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下瞬時(shí)流量，m3/h;qVf——工作狀況下瞬時(shí)流量，m3/h;pn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對(duì)壓力，MPa，其值為0.101 325 MPa；pf——工作狀況下絕對(duì)壓力，MPa；Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下熱力學(xué)溫度，K，其值為293.15 K；Tf——工作條件下熱力學(xué)溫度，K；Zn——標(biāo)準(zhǔn)條件下壓縮系數(shù)；Zf——工作條件下壓縮系數(shù)。

2 天然氣超聲波計(jì)量系統(tǒng)的組成

氣體超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)一般由壓力變送器、溫度變送器、超聲波流量計(jì)、氣體組分分析儀以及流量計(jì)算機(jī)等五部分組成。壓力、溫度變送器采集實(shí)時(shí)的壓力、溫度信號(hào)，超聲波流量計(jì)本體是整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)測(cè)量計(jì)算天然氣的流速進(jìn)而得到天然氣的工況流量，氣體組分分析儀通過(guò)分析氣體的組分以確定天然氣的壓縮因子，流量計(jì)算機(jī)將采集到的壓力、溫度、工況流量、氣體組分信息進(jìn)行運(yùn)算分析，得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體流量，并保存相應(yīng)的流量歷史數(shù)據(jù)。

3 影響超聲波流量計(jì)量準(zhǔn)確性的主要因素

超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量的準(zhǔn)確性既與超聲波流量計(jì)本體有關(guān)，也和壓力、溫度測(cè)量?jī)x表、色譜分析儀以及流量計(jì)算機(jī)等設(shè)備的可靠性有直接關(guān)系。此外，在員工操作、環(huán)境影響、設(shè)計(jì)選型、設(shè)備安裝等方面也會(huì)一定程度影響超聲波流量計(jì)量的準(zhǔn)確性，其影響因素復(fù)雜多樣。超聲波計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確性影響因素關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，對(duì)超聲波流量計(jì)量準(zhǔn)確性造成較大影響的主要是噪音、天然氣雜質(zhì)、氣體組分分析以及壓力、溫度測(cè)量這四個(gè)方面。

圖2 超聲波計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確性影響因素關(guān)聯(lián)示意

3.1 噪 音

天然氣輸氣站場(chǎng)中由于氣流速度快，彎頭、閥門等各類阻流管件的存在，會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，在計(jì)量裝置設(shè)計(jì)和安裝的時(shí)候已經(jīng)充分考慮。但是現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)楣r條件的變化，如流量、壓力和溫度等，壓縮機(jī)不同功率下的噪聲震動(dòng)等不能預(yù)見(jiàn)的各類因素產(chǎn)生的噪聲仍然使超聲波流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中受到噪聲的影響。超聲波流量計(jì)對(duì)降壓元件產(chǎn)生的噪聲尤其敏感，甚至有些低噪聲閥門比調(diào)壓閥對(duì)超聲波流量計(jì)產(chǎn)生的影響還要大，這是因?yàn)椴捎昧说驮肼暭夹g(shù)的閥門將噪音頻率調(diào)整至人耳聽(tīng)力不敏感的高頻范圍(20 kHz)以上，該頻率范圍恰好與超聲波流量計(jì)超聲頻率重合，對(duì)超聲波流量計(jì)造成較大影響。

3.2 天然氣雜質(zhì)

天然氣流過(guò)超聲波流量計(jì)時(shí)，水、硫化鐵粉末等雜質(zhì)逐漸堆積在流量計(jì)表體管道內(nèi)或超聲波探頭上，都會(huì)影響超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度，附著在超聲波探頭表面的雜質(zhì)縮短了超聲波在管道內(nèi)的傳輸時(shí)間，影響了超聲波探頭的敏感性，同時(shí)由于雜質(zhì)的附著，計(jì)量撬的上游直管段表面粗糙度變化或整流板堵塞引起氣體流態(tài)發(fā)生變化，從而影響流量計(jì)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)研究表明： 臟污可對(duì)某些流量計(jì)流量輸出帶來(lái)0.3%或更大的偏差。

3.3 氣體組分

根據(jù)超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)工況流量與標(biāo)況流量的轉(zhuǎn)換公式可知，在天然氣貿(mào)易計(jì)量中需要利用壓縮因子將天然氣的工況流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量，而工況下的壓縮因子則需利用氣體分析設(shè)備，如色譜分析儀等分析結(jié)果計(jì)算獲得。氣體組分檢測(cè)是否準(zhǔn)確及時(shí)，直接影響著超聲波計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量準(zhǔn)確性。在實(shí)際生產(chǎn)中，部分場(chǎng)站的氣體分析設(shè)備未接入流量計(jì)算機(jī)，失去了氣體分析設(shè)備的主要作用，同時(shí)在未配備氣體分析設(shè)備的場(chǎng)站也存在著氣體組分更新不及時(shí)現(xiàn)象，在多氣源的計(jì)量站，影響更為明顯。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)： 由于輸氣干線組分變化造成超聲流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量偏差最高可達(dá)0.6%。

3.4 壓力和溫度的測(cè)量

根據(jù)超聲波流量計(jì)工作原理可知，壓力溫度測(cè)量是否準(zhǔn)確直接關(guān)系著標(biāo)況流量的運(yùn)算是否準(zhǔn)確。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，雖然壓力變送器可在其銘牌標(biāo)明的工作溫度范圍內(nèi)正常工作，但室外裸露環(huán)境中的壓力測(cè)量值與進(jìn)行了防曬保護(hù)的壓力變送器測(cè)量值的差值可高達(dá)18～20 kPa。溫度變送器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也會(huì)出現(xiàn)保護(hù)套管中存在金屬雜質(zhì)、沙子等現(xiàn)象，使測(cè)溫元件不能及時(shí)與天然氣達(dá)到熱平衡，導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度值偏低，計(jì)量結(jié)果偏大。因此，保證壓力和溫度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確、可靠是確保超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度非常重要的方面。

4 解決措施與對(duì)策

4.1 保證工藝安裝符合相應(yīng)技術(shù)要求

對(duì)于未建場(chǎng)站，應(yīng)充分考慮流量計(jì)前后直管段長(zhǎng)度，評(píng)估調(diào)壓閥產(chǎn)生的噪聲對(duì)流量計(jì)的影響，謹(jǐn)慎選用“無(wú)噪”閥門和消聲器。對(duì)于已建場(chǎng)站，因流量變化導(dǎo)致調(diào)壓閥噪音變化的可考慮利用調(diào)壓閥前后的節(jié)流截止閥分級(jí)調(diào)壓，降低噪音頻率，或者改變?cè)胍魝鞑ネǖ?，利用調(diào)壓計(jì)量間的匯管、彎頭等增加噪音損耗。條件允許時(shí)，可進(jìn)行工藝改造，在流量計(jì)前加裝流量調(diào)整器，將調(diào)壓閥調(diào)整至流量計(jì)后，以消除噪音影響。

4.2 加強(qiáng)超聲波流量計(jì)的檢測(cè)與維護(hù)

超聲波流量計(jì)具有自診斷功能，目前絕大部分超聲波流量計(jì)均配備有專業(yè)的診斷軟件，可對(duì)流量計(jì)的聲速、流速、信噪比、采樣率、增益值等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控分析?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可利用專業(yè)診斷軟件定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行運(yùn)行分析，判斷流量計(jì)工作狀態(tài)是否良好，掌握換能器臟污情況，制定換能器清洗周期，如流量計(jì)內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)重新進(jìn)行檢定。

4.3 及時(shí)更新氣體組分

在多氣源場(chǎng)站或者輸氣量較大的場(chǎng)站建議配備色譜分析儀等氣體分析設(shè)備，并將分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入流量計(jì)算機(jī)，以保證流量計(jì)算機(jī)所測(cè)組分為管道內(nèi)天然氣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)要加強(qiáng)色譜分析儀的維護(hù)，定期利用標(biāo)氣對(duì)在線色譜儀進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)于未配備氣體分析設(shè)備的場(chǎng)站要根據(jù)離之最近場(chǎng)站的組分分析數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行更新，以最大程度保證其壓縮因子計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4.4 保證壓力和溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性

在超聲波流量計(jì)使用過(guò)程中，應(yīng)對(duì)壓力和溫度測(cè)量值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查?？墒褂脡毫?、溫度變送器的手操器核查流量計(jì)算機(jī)內(nèi)的壓力、溫度變送器示值誤差是否符合精度等級(jí)的要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不滿足時(shí)應(yīng)及時(shí)更換或者及時(shí)送檢和校準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)于壓力變送器可設(shè)置遮陽(yáng)棚，防止溫度變化對(duì)其零位的影響，對(duì)于溫度變送器應(yīng)定期添加導(dǎo)熱油，檢查保護(hù)套管內(nèi)是否有無(wú)雜質(zhì)，防止溫度傳輸?shù)倪t滯。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，超聲波流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)變得越來(lái)越廣泛，影響其計(jì)量準(zhǔn)確性的因素將會(huì)隨著超聲波流量計(jì)在不同條件下的應(yīng)用變得越來(lái)越復(fù)雜多樣，這就需要現(xiàn)場(chǎng)使用維護(hù)人員深入分析現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的運(yùn)行工況，不斷積累現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)制定相應(yīng)對(duì)策，只有這樣才會(huì)進(jìn)一步提高超聲波流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性。

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聶文(1986—)，男，四川遂寧人，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化天然氣有限公司榆濟(jì)管道分公司，從事天然氣長(zhǎng)輸管道計(jì)量管理工作，任工程師。

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1007-7324(2017)02-0057-03

稿件收到日期： 2016-12-02。