李仲 張?zhí)@倩 陳曉科 胡朝陽

1.中國石油浙江油田公司 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油天然氣集團公司天然氣質(zhì)量控制和能量計量重點實驗室

近年來，氣體超聲流量計因其性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高等特點得到廣泛使用[1-2]，其技術(shù)水平經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展逐漸成熟，相關(guān)國際和國家標(biāo)準(zhǔn)中對超聲流量計管道配置的要求也逐步發(fā)生變化。由于流量計安裝現(xiàn)場可能存在彎頭、三通、匯管等阻流件[3]，標(biāo)準(zhǔn)推薦的直管段長度在復(fù)雜工藝條件下的適用性則有待進一步研究。介紹了國內(nèi)外不同時期超聲流量計標(biāo)準(zhǔn)中管道配置要求的變化情況，通過不同管道配置下DN100超聲流量計與標(biāo)準(zhǔn)裝置的測試實驗研究，得到管道配置對計量性能的影響程度。

1 國內(nèi)外超聲流量計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中管道配置要求的變化情況

在超聲流量計使用初期，GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》規(guī)定的上游直管段長度最短為10D，下游為5D[4]。經(jīng)過一段時間的使用發(fā)現(xiàn)，超聲流量計對流態(tài)要求較高，而計量現(xiàn)場的復(fù)雜工藝管路構(gòu)成會導(dǎo)致流態(tài)的變化[5]。因此，為了使流場在進入流量計前能夠充分發(fā)展，國際標(biāo)準(zhǔn)提高了配置直管段的要求，ISO 17089.1-2010《封閉管道中液體流量的測量. 氣體超聲流量計. 第1部分: 運輸監(jiān)護和配置計量用儀表》規(guī)定：在相關(guān)廠家未提出直管段配置尺寸時并安裝了流動調(diào)整器的情況下，上游直管段長度最短為30D[6]。GB/T 18604也跟蹤了國際標(biāo)準(zhǔn)的變化，并及時進行了修訂[7]，修訂后的GB/T 18604-2014對上游最短直管段長度的要求也提高到了30D[8]。近年來，技術(shù)的進步提高了超聲流量計對流場變化的適應(yīng)性，AGA Report NO.9-2017《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》在2017年修訂時認(rèn)為，在安裝了流動調(diào)整器的情況下，上游最短直管段長度只需滿足20D[9]。以上國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)管道配置要求比較結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)管道配置要求比較表技術(shù)要求ISO 17089.1-2010GB/T 18604-2014AGA Report NO.9-2017備注上游最短直管段①由制造廠提出;②當(dāng)制造廠未提出時,不帶流動調(diào)整器50D;③當(dāng)制造廠未提出時,帶流動調(diào)整器30D①由制造廠提出;②當(dāng)制造廠未提出時,不帶流動調(diào)整器50D;③當(dāng)制造廠未提出時,帶流動調(diào)整器30D,流動調(diào)整器安裝于10D處①由制造廠提出;②不帶整流器由制造商給出直管段長度;③帶流動調(diào)整器20D,流動調(diào)整器安裝于10D處有差異下游最短直管段①由制造廠提出;②當(dāng)制造廠未提出時,3D①由制造廠提出;②當(dāng)制造廠未提出時,5D①由制造廠提出;②當(dāng)制造廠未提出時,大于5D有差異

通過對超聲流量計測量天然氣流量的國際標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)的對比分析可以得到：國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容是基本一致的，均明確了應(yīng)首先由相關(guān)制造商提出上、下游直管段配置，但在相關(guān)制造商未提出直管段配置建議時，不同標(biāo)準(zhǔn)推薦的上游最短直管段長度有一定差異：安裝流動調(diào)整器后， GB/T 18604-2014建議上游直管段最短為30D， AGA Report NO.9-2017建議上游直管段最短為20D。3個標(biāo)準(zhǔn)均提到了速度曲線畸變對流量計可能造成的影響，并且部分流量計由于設(shè)計上考慮了這種因素，則不需要進行流場調(diào)節(jié)，但對于上游阻流件、閥門和直管長度的不同組合對計量準(zhǔn)確度的影響程度并沒有進行說明，對于流動調(diào)整器的流態(tài)調(diào)整效果也沒有具體描述。

2 不同管道配置下超聲流量計與標(biāo)準(zhǔn)裝置的比對實驗

GB/T 18604-2014提高了對上游直管段長度的要求，由于工程建設(shè)時間及設(shè)計初始要求各不相同等原因，國內(nèi)使用超聲流量計的部分貿(mào)易交接現(xiàn)場沒有達到上述一般性要求。為消除計量不準(zhǔn)帶來的隱患，確保交接計量的準(zhǔn)確可靠，開展了不同管道配置對超聲流量計的計量性能影響實驗研究工作。

2.1 實驗裝置和對象

實驗裝置：國家石油天然氣大流量計量站成都分站渦輪標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(小流量區(qū))，裝置采用的測試介質(zhì)為天然氣，設(shè)計壓力為6.3 MPa，運行壓力為1.5～4.0 MPa，流量測試范圍為16～2 600 m3/h，體積流量測量不確定度為0.33%(k=2)。

實驗對象：市場占有率較高、技術(shù)相對成熟的4個不同國內(nèi)外廠家的超聲流量計(以下分別命名為A、B、C、D)，規(guī)格尺寸為DN100。

2.2 實驗條件

實驗分為理想流態(tài)測試和復(fù)雜流態(tài)測試。理想流態(tài)測試是指安裝工藝條件較理想，在超聲流量計上游50D以內(nèi)無彎頭、無過渡部件、無阻力件，流速分布均勻，上游直管段長度大于50D，同時在10D處加裝流動調(diào)整器進行測試，如圖1所示。

復(fù)雜流態(tài)測試是指在超聲流量計上游存在阻流件，如空間彎頭、匯管等，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)推薦的管道配置改變上游直管段長度，同時在10D處加裝流動調(diào)整器進行測試，如圖2所示。根據(jù)被測流量計的測量范圍，確定超聲流量計的實驗布點為Qmin、0.10Qmax、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax、Qmax共6個流量點， 壓力(均為絕壓)2.9 MPa。理想流態(tài)時首先進行預(yù)測試，得到流量計的多點修正系數(shù)并進行修正和驗證，確保流量計在復(fù)雜流態(tài)測試前有相對良好的性能。另外，對加裝流動調(diào)整器和改變直管段內(nèi)徑后流量計的計量性能進行了測試。

3 結(jié)果與討論

將不同管道配置下測得的流量數(shù)據(jù)進行比較，分析最大示值誤差的變化情況，獲得不同管道配置對流量計性能的影響。

3.1 流動調(diào)整器對計量性能的影響

流動調(diào)整器對計量性能的影響如圖3所示。由圖3可知，對于A超聲流量計而言，多點修正前線性不佳，修正后表現(xiàn)出良好的計量性能，相對示值誤差在±0.1%附近。當(dāng)上游直管段縮短為30D，同時在10D處加裝流動調(diào)整器后的計量性能與理想狀態(tài)一致，示值誤差變化最大約0.1%，在標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度范圍內(nèi)。

3.2 直管段內(nèi)徑對計量性能的影響

直管段內(nèi)徑對計量性能的影響如圖4所示。由圖4可知，對于D超聲流量計，當(dāng)上游直管段內(nèi)徑由97 mm變?yōu)?00 mm時，內(nèi)徑變化了3 mm，超出GB/T 18604-2014第8.2.3條規(guī)定的上、下游直管段內(nèi)徑偏差應(yīng)小于1%且不超過3 mm的要求，示值誤差出現(xiàn)0.5%的明顯正偏移。加裝流動調(diào)整器后，偏移量降低了0.2%。

3.3 匯管對計量性能的影響

匯管對計量性能的影響如圖5～圖7所示。在匯管的干擾下，對A、B、C 3種超聲流量計而言，上游直管段大于或等于20D，并在10D處安裝流動調(diào)整器時均對流量計的計量性能無明顯影響。繼續(xù)縮短直管段長度時：對于A超聲流量計，計量結(jié)果沒有明顯變化，示值誤差最大偏移量不超過0.2%；對于B超聲流量計，上游直管段縮短為16D時，在大流量下偏移量約0.39%；對于C超聲流量計，上游直管段縮短至14D時在小流量下對流量計有明顯影響，示值誤差的最大偏移量達到1.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度。

3.4 空間彎頭對計量性能的影響

空間彎頭對計量性能的影響如圖8～圖10所示。在空間彎頭的干擾下，對A、B、C 3種超聲流量計而言，上游直管段大于或等于20D，并在10D處安裝流動調(diào)整器時均對流量計的計量性能無明顯影響，相對示值誤差的變化在標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度范圍內(nèi)。繼續(xù)縮短直管段長度時：對于A超聲流量計，上游直管段10D+流動調(diào)整器的安裝方式會導(dǎo)致相對示值誤差整體向正偏移0.3%；對于B超聲流量計，上游直管段10D+流動調(diào)整器的安裝方式下，流量大于0.25Qmax時整體向負(fù)偏移0.1%，最小點流量向負(fù)偏移0.42%；對于C超聲流量計，計量結(jié)果沒有明顯變化，最小點由于超聲流量計的計量特性而表現(xiàn)出小幅波動。

3.5 小結(jié)

總的來說，直管段內(nèi)徑與流量計不匹配會使流場發(fā)生變化，進而導(dǎo)致計量不準(zhǔn)，流動調(diào)整器可以在一定程度上削弱非理想流場對流量計造成的影響。上游阻流件為空間彎頭或匯管時，直管段長度大于或等于20D且安裝流動調(diào)整器的管道配置可以保證超聲流量計的計量性能，低于該配置則可能影響流量計的計量準(zhǔn)確度。從表2可以直觀地看到，不同流量計在不同阻流件下直管段長度對計量準(zhǔn)確度的影響程度。

表2 不同安裝配置對計量準(zhǔn)確度的影響程度超聲流量計聲道結(jié)構(gòu)聲道布置阻流件情況上游直管段長度流動調(diào)整器配置情況相對示值誤差最大偏移量/%綜合分析A超聲流量計接觸式4聲道4個平行對射式聲道匯管空間彎頭30D20D15D30D20D10D有流動調(diào)整器0.00-0.100.100.000.180.30計量性能不變計量性能不變計量性能少許改變B超聲流量計 接觸式8聲道3對平面內(nèi)交叉反射的X型聲道和兩個雙反射聲道匯管空間彎頭30D20D15D30D20D10D有流動調(diào)整器0.000.080.39(大流量)0.000.26(最小點)0.42(小流量)計量性能不變計量性能改變計量性能不變計量性能少許改變C超聲流量計接觸式4聲道兩對平面內(nèi)平行反射聲道匯管空間彎頭30D20D15D30D20D10D有流動調(diào)整器0.000.161.500.000.150.12計量性能不變計量性能極大改變計量性能不改變D超聲流量計接觸式4聲道一對雙反射聲道和一對單反射聲道無30D無流動調(diào)整器0.65計量性能改變30D有流動調(diào)整器0.44計量性能改變

4 結(jié)論與建議

通過對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較和實驗研究發(fā)現(xiàn)，為了應(yīng)對現(xiàn)場多阻流件的工藝流程，減少場站的占地面積，配置流動調(diào)整器幾乎是必不可少的。在配置流動調(diào)整器后，DN100的超聲流量計按照上游直管段長度20D與按照30D配置時的計量性能沒有明顯差異，繼續(xù)縮短直管段長度對于不同廠家的超聲流量計有不同程度的影響。

近年來，流量計技術(shù)的進步提高了對多種流態(tài)的適應(yīng)性，為減少場站的占地面積，廠家提出的推薦直管段長度也在逐漸縮短。在采納廠家建議的前提下，使用小口徑超聲流量計的中低壓貿(mào)易交接場站可以參考本研究進一步判斷流量計運行時的計量性能，消除可能計量不準(zhǔn)對生產(chǎn)經(jīng)營帶來的不利影響。另外，由于實驗對象的聲道布置和反射方式各有不同，多聲道超聲流量計在非理想流態(tài)下有相對更好的表現(xiàn)，強化了對旋渦流等流態(tài)的適應(yīng)性，在直管段長度更短時依然能正常運行，有利于減少場站的占地面積，降低建設(shè)成本。

不同型號和聲道配置的流量計對管道配置的要求有明顯的差異，建議流量計廠家應(yīng)結(jié)合流量計性能和現(xiàn)場情況提出適用的安裝配置并提供支撐的測試數(shù)據(jù)。同時，由于內(nèi)徑不匹配或安裝不當(dāng)會直接影響計量準(zhǔn)確度，流量計使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其他要求加工和安裝配套直管段。