楊建，溫亞麗，羅揚(yáng)鋒

(中國石化股份有限公司中原油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心，河南 濮陽 457001)

外夾式氣體超聲波流量計(jì)的應(yīng)用

楊建，溫亞麗，羅揚(yáng)鋒

(中國石化股份有限公司中原油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心，河南 濮陽 457001)

介紹了外夾式氣體超聲波流量計(jì)在普光氣田的試驗(yàn)與應(yīng)用情況，與均速管流量計(jì)進(jìn)行了比對測試，對測點(diǎn)的選擇、管道參數(shù)的測量、氣體組分及壓縮因子的計(jì)算、換能器安裝及比對測試的方法等進(jìn)行了總結(jié)，并對測試中易出現(xiàn)的問題及對策進(jìn)行了探討，為外夾式氣體超聲波流量計(jì)在線比對技術(shù)在普光氣田的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

超聲波流量計(jì) 均速管流量計(jì) 在線比對

普光氣田凈化廠聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣計(jì)量采用均速管流量計(jì)，為保證計(jì)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)定期對其進(jìn)行檢測。由于均速管流量計(jì)是一種插入式流量計(jì)，拆表外送檢驗(yàn)，從技術(shù)上和實(shí)際操作上難度很大，自2010年投產(chǎn)以來從未進(jìn)行過周期檢定。為解決這一難題，中國石化股份有限公司中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心采用外夾式氣體超聲波流量計(jì)對該聯(lián)合裝置的均速管流量計(jì)進(jìn)行了比對測試，取得了較好的效果。

1 外夾式氣體超聲波流量計(jì)原理

外夾式氣體超聲波流量計(jì)采用數(shù)字式多脈沖時(shí)差技術(shù)，每聲道的兩個(gè)寬束超聲波換能器，互為發(fā)射和接收。超聲波首先由發(fā)射換能器發(fā)出，穿過管壁和介質(zhì)，經(jīng)對面管壁反射后再次穿過介質(zhì)和管壁被接收換能器接收，完成發(fā)射和接收的過程。該流量計(jì)利用高精度和穩(wěn)定的數(shù)字相位檢測回路來測量每一方向(順流和逆流)的聲波到達(dá)時(shí)間，并能分辨±100ps內(nèi)的相關(guān)超聲波的傳輸時(shí)間差。利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流速，然后根據(jù)管道截面積算出流體工況下的體積流量。

由于氣體的可壓縮性，通常使用標(biāo)準(zhǔn)體積單位來表示體積流量，這就需要流量計(jì)對天然氣工況體積動態(tài)補(bǔ)償，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。因此，流量計(jì)需要輸入工況操作溫度和壓力，通過輸入氣體壓縮因子或是通過內(nèi)置表格計(jì)算表補(bǔ)償修正標(biāo)準(zhǔn)體積。

2 現(xiàn)場比對測試步驟

外夾式氣體超聲波流量計(jì)體積小、功能齊全、操作簡便，測量精度達(dá)±1.0%，其多組換能器適用大多數(shù)金屬管及塑料管，適用管徑范圍為50～700mm， 管壁厚度為2.0～31.8mm，被測介質(zhì)壓力不低于0.7MPa。為了降低在線檢測比對的誤差，應(yīng)遵循以下操作步驟，盡量減少人為因素造成的測量誤差。

2.1測量點(diǎn)的選擇與管道參數(shù)的測量

正確選擇測量點(diǎn)和準(zhǔn)確地測量管道參數(shù)是減少附加比對測試誤差的前提條件。為此必須注意以下兩點(diǎn)： 測量點(diǎn)應(yīng)選擇在管道上游至少10倍以上、下游5倍以上管徑長度的直管段上，測量點(diǎn)處應(yīng)無焊縫、無振動及無電磁干擾源等；由被測單位提供測試管道設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場對管道外徑及壁厚進(jìn)行復(fù)核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測量后取其平均值。

2.2安裝換能器

將管道外徑、壁厚和管道材質(zhì)數(shù)據(jù)輸入流量計(jì)主機(jī)，主機(jī)根據(jù)輸入的管道參數(shù)，推薦出所安裝換能器的型號、安裝方式和安裝間距。與液體超聲波流量計(jì)相比，氣體超聲波流量計(jì)測量信號更容易受到噪音信號干擾，如果信噪比在10∶1以下，就無法準(zhǔn)確測量。因此，在固定換能器前，為減小管道噪音信號對測量結(jié)果的影響，應(yīng)在管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜，貼時(shí)應(yīng)盡量減少氣泡的產(chǎn)生，如產(chǎn)生氣泡應(yīng)將氣泡弄破，釋放出氣體。

2.3氣體參數(shù)的設(shè)置

由凈化廠提供氣體的組分、比熱率、黏度和被測點(diǎn)氣體的溫度、壓力等可靠數(shù)據(jù)。組分用于計(jì)算氣體理論聲速和壓縮因子；比熱率用于計(jì)算氣體的平均密度；黏度用于進(jìn)行流態(tài)補(bǔ)償計(jì)算。該流量計(jì)可以通過輸入固定的壓縮因子或是通過內(nèi)置表格計(jì)算來修正標(biāo)準(zhǔn)體積?，F(xiàn)場溫度、壓力如果變化不大時(shí)，可以輸入固定值；如果變化較大，該流量計(jì)提供了4個(gè)模擬信號輸入通道，可以對溫度、壓力模擬信號定義后，實(shí)時(shí)采集溫度、壓力信號，將工況條件下的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件(p=101.325kPa，t=20℃)下的體積流量。該流量計(jì)在設(shè)置完成后可以顯示出測量的聲速，然后利用內(nèi)置表格計(jì)算出管道內(nèi)氣體理論聲速。如果測量聲速和理論聲速接近，表明流量計(jì)設(shè)置、安裝正確，可以開始流量測試；反之，則需要重新設(shè)置、安裝。

2.4在線比對測試結(jié)果

所有參數(shù)設(shè)置安裝完成后可以進(jìn)行流量測量。為便于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和DCS的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線比對，將外夾式氣體超聲波流量計(jì)主機(jī)時(shí)鐘按照DCS時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，由流量計(jì)主機(jī)自動記錄測試時(shí)間和測試結(jié)果。

外夾式氣體超聲波流量計(jì)經(jīng)過了國家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站的實(shí)流檢定，準(zhǔn)確度等級達(dá)到了1.0級。為進(jìn)一步驗(yàn)證其現(xiàn)場測試精度，首先在普光分公司外輸天然氣計(jì)量撬管線上進(jìn)行了測試，與外輸超聲波流量計(jì)進(jìn)行了比對，數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 凈化廠外輸計(jì)量撬流量比對測試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，兩次測量的相對誤差均未超過±1.0%，說明選用該流量計(jì)精度符合現(xiàn)場測試要求。利用該流量計(jì)先后對凈化廠的6套聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣共18個(gè)流量測量點(diǎn)的均速管流量計(jì)進(jìn)行了在線比對測試，數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 凈化廠聯(lián)合裝置均速管流量計(jì)比對測試數(shù)據(jù)

對表2測試結(jié)果進(jìn)行分析，18臺均速管流量計(jì)中誤差最大的是六聯(lián)合一列的原料氣，相對誤差為-51.22%；誤差最小的是三聯(lián)合一列原料氣，相對誤差為0.27%，有15臺均速管流量計(jì)誤差超過了±3.0%，說明該種流量計(jì)在長時(shí)間運(yùn)行后其計(jì)量精度降低，不適用于普光氣田凈化廠天然氣流量計(jì)量。

3 比對測試中的注意事項(xiàng)

為確保該流量計(jì)的在線測量精度，在測試過程中需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 不同型號的流量計(jì)換能器所適用的管道外徑、壁厚和被測的介質(zhì)最低壓力等數(shù)據(jù)是不同的，要確保提供的參數(shù)在其適用范圍內(nèi)；另外，管道外徑與壁厚比大于15時(shí)性能最佳，小于5時(shí)測量效果會變差。

2) 測試現(xiàn)場的溫度、壓力在測量過程中是否穩(wěn)定，將影響測量精度。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可以估算出： 溫度相差1℃，流量測量結(jié)果相差約 0.3%； 壓力相差0.1MPa，流量測量結(jié)果相差約1.3%。

3) 信噪比大小對測量結(jié)果有較大影響。如果信噪比在10以下，就無法得到準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。該測量現(xiàn)場主要有兩種測試環(huán)境： 碳鋼管線中脫水后的凈化天然氣；不銹鋼管線中含H2S和CO2體積分?jǐn)?shù)較高的酸性原料氣。碳鋼管線凈化天然氣信噪比可以達(dá)到35以上，現(xiàn)場較好測量；不銹鋼管線天然氣信噪比較低。為抑制管道中噪音信號，提高信噪比，需要在測量管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜。

4) 換能器的安裝條件及安裝精度影響最終的測量結(jié)果。安裝換能器時(shí)，管道外表面應(yīng)去除保溫層、去漆，銹跡應(yīng)砂平，耦合劑應(yīng)粘貼涂勻，不能有空隙，否則聲波會在固氣界面上發(fā)生折射，無法傳到被測流體。為確保流體所需的流速分布，換能器前后要有足夠長的直管段，而且上游30倍管徑長度內(nèi)的管段上不能安裝有泵、閥等擾動設(shè)備。換能器安裝時(shí)應(yīng)避開管道的焊縫及連接處，安裝在傾斜和水平管道上時(shí)，不應(yīng)安裝在上部或底部，應(yīng)安裝在管道截面九點(diǎn)至十點(diǎn)方位，完全接觸管壁使超聲波傳播順利通過管道中心。

4 結(jié)束語

通過對凈化廠聯(lián)合裝置均速管流量計(jì)在線比對測試，探索出用外夾式氣體超聲波流量計(jì)在線比對技術(shù)，制訂在線比對操作規(guī)范，為下一步對普光氣田天然氣集輸系統(tǒng)流量計(jì)的在線比對積累了經(jīng)驗(yàn)。

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稿件收到日期： 2013-01-15。

楊建(1966—)，男，河南洛陽人，1988年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)流體控制與操縱系統(tǒng)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石化股份有限公司中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，從事計(jì)量檢測工作，任高級工程師。

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1007-7324(2013)03-0071-03