卜慶超

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

目前中國(guó)正處于能源大發(fā)展時(shí)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(guó)家實(shí)施能源戰(zhàn)略，打贏能源攻堅(jiān)戰(zhàn)的必由之路。隨著國(guó)內(nèi)天然氣市場(chǎng)的快速發(fā)展，天然氣交易額穩(wěn)步提升，對(duì)天然氣貿(mào)易交接精度要求越來(lái)越高，因此如何保證計(jì)量精度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)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(jì)相比于其他流量計(jì)具有無(wú)節(jié)流件、高精度、壓損小、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道天然氣計(jì)量系統(tǒng)。

1 超聲波流量計(jì)工作原理

聲波作為一種機(jī)械輻射能，是以實(shí)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(dòng)時(shí)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(jì)通過(guò)超聲換能器（又稱(chēng)“探頭”）產(chǎn)生超聲波，由一個(gè)探頭發(fā)射另一個(gè)接收，在流動(dòng)介質(zhì)中聲波由上游向下游的傳輸時(shí)間小于聲波由下游向上游的傳輸時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間之差與氣體的流速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)這種時(shí)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(jì)算

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

圖1 超聲波流量計(jì)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(shí)間小于從B至A的傳播時(shí)間[4]。

超聲波由A至B的傳播時(shí)間t1為：

超聲波由B至A的傳播時(shí)間t2為：

式中，L為探頭端面間的距離（又稱(chēng)“聲程”），m；θ為管道軸線與探頭端面連線的夾角（又稱(chēng)“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(shí)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(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)，因此只需知道聲程L和聲道角θ即可計(jì)算出管道內(nèi)氣體流速。

1.2 操作條件下的流量計(jì)算

操作條件下管道內(nèi)氣體的瞬時(shí)流量指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(shí)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(zhǎng)輸管道內(nèi)壁為非光滑曲面，氣體與管道內(nèi)壁摩擦?xí)绊懥魉伲蚨拷鼙谖恢脷怏w流速相對(duì)較慢，靠近中心位置氣體流速相對(duì)較快。為準(zhǔn)確計(jì)算V，消除因摩擦造成的計(jì)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(jì)算

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)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(shí)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(zhǎng)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(jì)計(jì)量影響因素

2.1 探頭工作效率對(duì)計(jì)量的影響

超聲波流量計(jì)可移動(dòng)部件較少，主要由表體、超聲換能器、信號(hào)處理單元組成，超聲換能器作為超聲波流量計(jì)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(jì)算與超聲波順流和逆流傳播時(shí)間、聲程及聲道角有關(guān)，而聲程和聲道角為超聲波流量計(jì)固有屬性，因此超聲換能器工作狀態(tài)決定流速測(cè)量精度[10]。

1）探頭缺陷

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

對(duì)該超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該流量計(jì)5通道探頭使用率較低，為30%～60%（正常應(yīng)為100%），同時(shí)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(duì)稱(chēng)性，相同環(huán)境下對(duì)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(duì)流量計(jì)傳輸系統(tǒng)檢查確認(rèn)無(wú)誤后，對(duì)流量計(jì)探頭進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該流量計(jì)5通道上游探頭存在明顯缺陷，如圖2所示。對(duì)5通道探頭進(jìn)行更換，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

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

探頭為超聲波流量計(jì)發(fā)射、接收聲波的部件，對(duì)設(shè)備運(yùn)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(jì)算，進(jìn)而影響計(jì)量精度[12]。上例中，由于探頭缺陷，導(dǎo)致5通道計(jì)算流速偏低，影響計(jì)量準(zhǔn)確性。

2）探頭故障

超聲波流量計(jì)探頭工作狀態(tài)可通過(guò)流量計(jì)配套軟件進(jìn)行檢查，不同型號(hào)的流量計(jì)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如信號(hào)質(zhì)量、信噪比、增益等。當(dāng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，需及時(shí)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢查，避免產(chǎn)生計(jì)量誤差[13]。

天津管道某計(jì)量站使用Daniel四聲道超聲波流量計(jì)，某日正常輸氣期間外輸故障報(bào)警，信號(hào)傳輸中斷。對(duì)采集到的壓力、溫度和氣體組成核查無(wú)誤后，對(duì)流量計(jì)本體進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)此流量計(jì)A通道探頭增益超過(guò)正常值見(jiàn)表1。根據(jù)GB/T18604《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》要求，超聲波流量計(jì)各通道間聲速偏差小于0.2%，該流量計(jì)聲速偏差超過(guò)規(guī)定值見(jiàn)表2。

表1 流量計(jì)增益值Table 1 Flowmeter gain

表2 流量計(jì)各通道聲速值Table 2 Sound velocity value of flowmeter

超聲波流量計(jì)的增益表示可以正常接收信號(hào)時(shí)的強(qiáng)度。當(dāng)增益超過(guò)正常值時(shí)，可能因?yàn)樘筋^故障、探頭表面臟污或者干擾信號(hào)過(guò)強(qiáng)等，影響有效信號(hào)的接收。根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，初步判斷是探頭表面臟污導(dǎo)致，對(duì)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(jì)診斷結(jié)果Fig.3 Flowmeter diagnosis results

2.2 氣質(zhì)和噪聲對(duì)計(jì)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(huì)影響超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度[14]。

GB/T18604《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中指出，天然氣氣質(zhì)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)影響較大，尤其是粉塵、凝析油等對(duì)氣體超聲波流量計(jì)計(jì)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(chǎng)清洗維護(hù)工作不及時(shí)，可能會(huì)帶來(lái)較大的計(jì)量偏差。研究表明，探頭臟污可對(duì)流量計(jì)流量輸出帶來(lái)0.3%以上的偏差。中國(guó)長(zhǎng)輸管道氣源多來(lái)自于國(guó)內(nèi)氣田、LNG接收站、境外管道輸入，氣質(zhì)情況無(wú)法保持一致。為防止因氣質(zhì)造成的計(jì)量誤差，超聲波流量計(jì)前常設(shè)有過(guò)濾分離裝置，如圖4所示。

圖4 過(guò)濾分離裝置Fig.4 Filtration and separation device

噪聲與氣體流速、場(chǎng)站工藝相關(guān)，根據(jù)《工作場(chǎng)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(guò)85dB時(shí)，將對(duì)人的聽(tīng)力、神經(jīng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生影響，場(chǎng)站人員長(zhǎng)時(shí)間接觸噪聲，勢(shì)必對(duì)身心造成傷害；同時(shí)當(dāng)噪聲頻率范圍與超聲波流量計(jì)工作頻率相近時(shí)，將干擾探頭接收信號(hào)，影響流速計(jì)算[15]。AGA No.9報(bào)告和ISO 17089提出了如何減少噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響以及實(shí)用性的要求，如對(duì)于流量計(jì)生產(chǎn)廠家而言，應(yīng)增強(qiáng)流量計(jì)的信號(hào)處理能力，改善對(duì)聲脈沖的識(shí)別和檢測(cè)，同時(shí)提高濾波能力；對(duì)于使用者而言，可在流量計(jì)和噪聲源之間安裝管路附件（如：過(guò)濾器、盲三通等）來(lái)隔離噪聲。此外，噪聲源相對(duì)于流量計(jì)的安裝位置（上游還是下游）、相對(duì)距離、流量計(jì)與噪聲源之間的管件類(lèi)型和數(shù)量等尤為重要。靜音調(diào)節(jié)閥雖然可降低場(chǎng)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(jì)的工作頻率，易造成探頭誤接收，影響計(jì)量精度。因此，常通過(guò)設(shè)計(jì)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(duì)計(jì)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(jì)算操作條件下的流量、提取壓力、溫度、氣體組成對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量，實(shí)現(xiàn)公平貿(mào)易交接起著決定作用[16]。

天津管道某計(jì)量站使用的是羅斯蒙特壓力變送器進(jìn)行壓力補(bǔ)償，因設(shè)備到期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)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(duì)該站流量計(jì)檢查無(wú)誤后，利用FLUKE 754過(guò)程校驗(yàn)儀（精度為0.5‰）對(duì)該壓力變送器進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示。

圖6 過(guò)程校驗(yàn)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(guò)準(zhǔn)確度等級(jí)對(duì)應(yīng)的輸出量程百分比。通過(guò)檢測(cè)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(jiàn)表3，對(duì)該壓力變送器重新校驗(yàn)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(shí)值，導(dǎo)致計(jì)量結(jié)果偏高。天然氣長(zhǎng)輸管道中，除了壓力因素外，溫度、氣體組成同樣影響計(jì)量結(jié)果。根據(jù)美國(guó)氣體協(xié)會(huì)1992年發(fā)布的計(jì)算壓縮因子的AGA 8報(bào)告可知，壓縮因子的計(jì)算也與壓力、溫度和氣體組成相關(guān)。因此，需及時(shí)更新天然氣組分，定期核對(duì)采集數(shù)據(jù)，避免因數(shù)據(jù)偏移造成的計(jì)量誤差。此外，使用中要利用超聲波流量計(jì)的自診斷功能，加強(qiáng)聲速測(cè)量的監(jiān)測(cè)診斷，把控流量計(jì)性能，減少計(jì)量偏差，增加計(jì)量準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

超聲波流量計(jì)在天然氣長(zhǎng)輸管道計(jì)量中，首先通過(guò)時(shí)間差法測(cè)得氣體流速，再通過(guò)管道內(nèi)徑計(jì)算氣體操作條件下的流量，最后利用壓力、溫度、氣體組成計(jì)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(jìn)行貿(mào)易交接。

本文總結(jié)了在天然氣長(zhǎng)輸管道計(jì)量中的一些常見(jiàn)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)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(jì)量結(jié)果的常見(jiàn)因素。因此，需定期清洗探頭，測(cè)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(jì)量準(zhǔn)確。