天然气作为一种上等能源和化工原料,准确地进行流量计量是企业进行经济分析、降低运行成本的关键,直接影响企业的经济效益,是备受供需双方关注的环节。中国石油天然气有限公司与下游各用气城市贸易结算的计量方式是多种多样的,西气东输工程中的上游及南京等下游城市,普遍采用超声波流量计,由于它具有精度高、适应性强的优点。为了满足西气东输工程的要求,我国于2001年编制了国家标准gb/t 18604—2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》。
1 工作原理与特点
1.1 工作原理
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用,测量体积流量的速度式流量仪表,测量原理有传播时间差法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法。天然气超声波流量计的测量原理是传播时间差法(见图1)。在天然气管道中安装2个能发送和接收超声脉冲的传感器形成声道。2个传感器轮流发射和接收脉冲,超声脉冲相对于天然气以声速传播。沿声道顺流传播的超声脉冲的速度因被测天然气流速在声道上的投影(与其方向相同)而增加,而沿声道逆流传播的超声脉冲的速度因被测天然气流速在声道上的投影(与之方向相反)而减少。这样就得到超声脉冲在顺流和逆流方向上的传播时间:
式中 t1———沿声道顺流传播的超声脉冲的传播时间, s
t2———沿声道逆流传播的超声脉冲的传播时间, s
l———声道长度,m
c———被测介质中超声脉冲的声速,m/s
vm———被测介质的流速,m/s
φ———被测介质流动方向与声道之间的夹角, rad
由式(1)、(2),可以推导出被测介质流速的计算式:
由式(3),被测介质中的声速在式(3)中被消去,说明被测介质的流速与被测介质的性质无关。
1.2 特点
① 天然气超声波流量计适用于高压、大口径、大流量的工况,但对小流量、尤其是拐点流量(*大流量的10% )以下的流量段应慎用。
② 天然气超声波流量计不受气体流向的影响,能以相同的准确度进行双向流量计量,无压力损失,无转动部件,无过载被损坏的危险,维修量小,自动化程度高。
③ 对同一厂家生产的天然气超声波流量计,声道越多,计量精度越高,性能越可靠。如果其中1条声道出现故障,流量计会继续用其他声道测量,并替换掉故障通道的测量数据。报警器将对故障情况发出报警,但流量计仍可准确运行。
④ 大口径、多声道的天然气超声波流量计计量精度高(±0. 5% ),量程比宽,抗*力较强。
⑤ 对于上游无整流器的多声道天然气超声波流量计,它的上游需长10倍管径的直管段,下游需长5倍管径的直管段。
⑥ 天然气超声波流量计的仪表系数可根据管道及声道等的几何尺寸计算求得,即可采用干式检定。
2 检定
根据规定,用于贸易结算的计量量器属于强制检定范畴,必须进行周期检定,执行国家有关的计量检定规程或标准。对于无须强制检定的天然气超声波流量计,也可采用干式检定,若在供货合同中无实流校准的要求,天然气超声波流量计出厂时厂家一般只作干式检定。
2.1 干式检定
流量计的干式检定并不是校准,因为这种方法不是根据与某一标准或基准相比来检查测量结果并进行必要的调整,所以用“检定”一词较为恰当。管道及声道的几何尺寸可以准确测定,利用电子线路和高质量的石英晶体振荡器,可以以*的精度与稳定性进行时间的测量,但干式检定要成为*的标准还需进行大量研究验证。干式检定方法主要包括以下步骤。
① 流量计几何尺寸的测量
为保证流量计的精度,声道长度l和声道与被测介质流速的夹角φ是非常重要的基本参数,采用高性能的设备**控制测量公差,可以改善精度。
② 电子线路与传感器性能测试
一方面检测其性能指标是否符合设计规定要求,另一方面复核其性能指标稳定性,即电子部分的稳定度是否满足要求。
③ 零流量检查
在流量计两端连接盲法兰,测量管内不会有任何气体流动,而且所有声道上测得的气速都应为0。只要流量计被隔离,这一测试即可在实际管道中进行。但是根据实际经验,隔离法的性能并不总是很好,即使很小的泄漏量也能产生虽小但可测量的气体流量。如果进行在线测试,一定要特别注意避免上述因素引起的误导,还有因温度梯度引起的流体对流也很容易被误认为是气体流动。
④ 声速检查
声速检查既可作为功能测试,也可作为校验的一项内容。当想要对流量计进行实流检定时,只需进行功能测试,用压缩空气或n2就可完成。当进行校验时,需要用已知组成的气体对流量计进行测试,一般选择n2。为了对现有压力和温度下期望得到的声速进行**的计算,还需安装**的温度和压力测量装置,需注意达到热平衡状态需要有足够的时间。观察到的声速与声速的期望值的比较结果,会暴露声道长度的某种误差。单声道测得的声速可能略有差异,但其平均值将非常接近期望值。一般情况下,测量值与期望值之间的差异接近0. 1%。这一测试也可以在实际管道中进行,关键的是要知道测试时气体的**组成,同时还必须进行**的温度和压力测量。
2.2 实流校准
实流校准是将超声波流量计与一个计量标准或参考标准进行对比,以此判断流量计的准确度。与流量计进行对比的标准装置及其辅助测量仪表都应符合国家标准。实流校准的优点在于可以减少因超声波流量计声道长度、声道角度、管内径和声道位置等误差所造成的流量测量误差。超声波流量计的用户能得到详细说明流量计准确度的计量合格证书,同时能对超声波流量计进行调整,减少其相对于检定装置的校准测量误差或偏差。
用超声波流量计测量天然气流量时,气体压力和温度变化都会对测量结果的准确度产生影响。从目前欧美国家所做研究试验来看,在1. 4~6. 9mpa的试验范围内,*不利的情况是压力每变化0. 7mpa,流量计的准确度相差0. 1%。对dn 200 mm和dn 300mm的流量计,压力每变化4. 5mpa,准确度相差0. 4%,温度每变化16. 7℃,准确度相差0. 1%。因此,为保证气体超声波流量计的性能,必须在接近实际运行工况条件下对超声波流量计进行实流校准。
根据我国标准gb/t 18604—2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》附录a出厂测试要求,超声波流量计出厂必须做几何尺寸测量和零流量检验测试,而对于实流标定则规定,为减少流量计的测量误差,出厂前可进行实流校准[1]。另根据《中华人民共和国进口计量器具监督管理办法实施细则》,列入《中华人民共和国依法管理的计量器具目录》的进口计量器具,在销售之前必须经省级政府计量行政部门检定。当地不能检定的,向计量行政部门申请检定。未经检定合格的,不得销售。根据此规定,进口流量计在销售之前均必须进行检定。
目前国内使用的超声波流量计的实流标定,是在美国进行的,检定费用另外计算。对下游用气城市,凡是合同中未明确要求实流标定的,供货商均未提供此项服务,如要求标定,费用另行结算。供货商提供的交货资料只提供出厂测试报告,而没有国家计量检定部门出具的检定报告。超声波流量计出厂做干式检定,精度小于0. 5%则合格。实流标定是用于贸易结算计量的流量计必须做的,我国主要天然气流量计量站的检测能力见表1。
3 结语
天然气超声波流量计与目前广泛使用的孔板流量计相比,有很多优点,如系统基本投入较低、双向测量、大量程比、无压损、无运动部件和高精度等。孔板流量计已使用多年,具有标准化程度高、使用简单可靠、一般无特殊要求时无须标定等特点,可与超声波流量计互补使用。随着我国各项法律、法规的制定和完善,特别是标定内容和时间的明确,随着我国天然气的进一步发展,超声波流量计在天然气领域中的应用前景看好。
