對超聲流量計性能的工業研究評估

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文章內容

對超聲流量計性能的工業研究評估

前言試驗方法基本測試安裝基本測試結果安裝對測試的影響

美國 Terrance A. Grimley, Edgar B. Bowles. Jr.


摘 要:在德克薩斯州圣安東尼奧氣體研究院的流量計研究裝置上對單聲道和多聲道超聲流量計進行了試驗,建立基準條件并且對在基準安裝條件下和其它的管線安裝情況下的性能進行評定。試驗的目的是確定8in單聲道和多聲道流量計在不同的管線安裝條件下,以及與1臺流束整流器一起使用時它們的性能如何。將試驗結果與基準條件下的數據進行比較以做出深入的評估。8in的多聲道流量計的試驗結果表明,整流器具有改進其測量準確度的功能,這取決于流量計的型式和相對于干擾源的位置。單聲道流量計的試驗表明,在良好的流場條件下可以獲得優于0.5%的準確度。由安裝在上游的一個90o彎頭說明了流量計對簡單的擾流的敏感程度。在這些試驗中相對于基準試驗安裝流量測量誤差范圍在1%~4%。

一、前 言

xxxx超聲流量計是通過測量超聲波脈沖在流體中的傳播時間導出氣體體積流量的。對于1臺超聲流量計>,由于確定流量準確度是流量計設計和計算方法、上游管道要求的函數,這不同于許多傳統的測量方法。

xxxx舉例,孔板流量計測量流量,對已確定的流出系數的準確度之內,要求對稱,無旋渦流。為了得到已公布的流量測量的性能,AGA 3號報告建議了最小的直管段長度、管徑的變化、孔板流量計上游的安裝要求。當孔板流量計規格(β比)增加,由于減少了流量堵塞,使孔板對速度剖面的整型作用也減小了,其對流體干擾的敏感度也增加了。

xxxx 渦輪流量計因流體對轉子的作用也改進了流動剖面。由于進口流動剖面的改進,使渦輪流量計的性能也得到了改進。由于渦輪流量計對速度剖面的非對稱性敏感,為此,AGA7號報告要求渦輪流量計使用整流器以消除進口的流動旋渦。

xxxx 由于超聲波流量計基本上沒有影響人口流動的障礙物,流量計不會改變流動剖面,這種流量計根據流量計取得的流動樣,依據可靠的計算方法準確地確定流量。
在多聲道超聲流量計的設計中,制造者嘗試對流量計進行優化以降低它們對流動干擾的敏感。如果流量計可以對所有的流動干擾做修正補償,那么,就可以不用整流器了。然而,由于有少量已發表的有關整流器如何影響多聲道超聲流量計性能的資料,對整流器與超聲流量計聯合應用仍有興趣。根據其它型式的流量計的應用經驗,整流器意味著潛在的效益。

xxxx 作為一個替代多聲道流量計的有效益的方案,與價格便宜的單聲道超聲波流量計一起使用整流器也是有意義的。另外,有少量可靠的試驗數據證實了使用整流器的單聲道流量計的性能。

xxxx 這些結果得自第一部分試驗,這些試驗試圖確定8in單聲道和多聲道超聲流量計以不同配管安裝和當與1臺整流器聯合使用的實用經驗。這個試驗是在試驗流量計上游設置一個彎管或兩個彎管,并且在流量計加裝或不裝整流器的情況下運行的。

xxxx 進一步的試驗是打算評估雙向流量計測量性能和流量低于流量計能力1%時的流量測量準確度。在流體可以是雙向流動的地方,如地下儲氣設施,計劃安裝超聲流量計的人們對雙向測量性能是關注的。
對于一個計量站的安裝,需要確定流量計的數量和口徑,因為量程比的原因,低流量的測量性能也應關注。

二、試驗方法

xxxx流量計安裝在高壓環路(HPL)的測試管段上,試驗介質為輸送級的天然氣。同時收集超聲流量計和HPL上的臨界流噴嘴組上的數據,它們作為流量標準。

xxxx 在不同的壓力下,5個雙加權的音速噴嘴相對于HPL稱重罐系統進行現場校準。所有的校準,由1臺在線氣相色譜儀和 AGA 8號報告狀態方程確定氣體性質。

xxxx 與HPL的參比壓力相關的靜壓,在1臺流量計下游兩倍管徑處測量。氣體溫度在每臺流量計下游三倍管徑處測量。測量的溫度和壓力與測得的氣體組分和超聲流量計測出的氣體體積一起被用于計算超聲流量計的質量流量,這個質量流量再用來與臨界流噴嘴確定的流量進行比較。

xxxx 根據制造廠選用的方案,超聲流量計可以用不同的方法得到體積流量。流量計M3和M4內部的校準方法用來計算總的氣體體積和運行期間的時間。然后根據總的量計算平均流量。

xxxx 流量計M1和M2報告(測量)實際流量,每秒提供一次流量值,確定平均體積流量。單個通道的狀態、速度和聲速數據也被記錄。

xxxx 典型的測試系統由通過流動環道的可循環氣體構成,并達到氣體溫度和壓力穩定,選擇和切換不同的音速噴嘴組合確定穩定的流量。一個測試點由流量和其它度量90s周期內計算的平均值組成。一個測試點要重復6次以計算平均值和標準偏差。測量數據同時也由2臺渦輪流量計采集。渦輪流量計的數據確認實驗的一致性。

xxxx 用于本次試驗的4臺流量計由制造廠提供,它們都是可商業化的。在本項目試驗前沒有做過流量校準。4臺流量計有2臺多聲道的,有2臺單聲道的。表1給出了流量計聲道布置情況。

表1 測試流詛計幾何參數

流量計號
聲道數
聲  道  布  置
M1
3
 兩個中徑雙反射,一個中心線單反射
M2
1
 中心線單反射,60度傾斜角,與垂直方向成30度角
M3
4
 平行,無反射,水平
M4
1
 中心線單反射,60度傾斜角,與垂直方向成45度角

xxxx 所有流量計制造成統一的法蘭至法蘭尺寸(31.5in長度)和內徑(在0.005in之內)以方便不同安裝位置的流量計交換。制造廠家提供了根據專用程序對機械、電子和其它測量的流量計設定參數。在測試的時候,用與流量計的剖面修正參數由制造廠家檢查。有關測試條件的特殊參數(用于流量計內部的電子學的流體性質)根據需要每次進行調整。

三、基本測試安裝

xxxx 基本測試的管線安裝示于圖1。所有的配管由8in內徑的40號碳鋼管(7.981in內徑)制成,內部焊縫磨光。測試的流量計安裝在90o長徑彎頭下游40D(D=8in)、59D、97D處。彎頭的上游安裝一個 12in×16in×10in的Sprenkle流束整流器,整流器之后是一個 10in×8in的同心大小頭和43D 8in直管段直到彎頭。每臺流量計可在四個軸向位置中的兩個進行測試(見表2)。

表2 流量計在基準條件下的測試位置

流量計
40D
59D
78D
97D
M1
-
×
-
×
M2
×
-
×
-
M3
-
×
-
×
M4
×
×
-

圖1 基本流量測試的管線安裝

xxxx 對每一臺流量計的完整的測試計劃,要求在4個位置上都要進行測試。當流量計以一個軸向安裝位置移到另一個位置時,上游和下游的直管段(分別是10D和5D)應與流量計一起整體拆卸,以使連接流量計上游和下游的法蘭對中。與每一臺流量計有關的壓力和溫度變送器,在流量計位置變換時也應保留在原直管段上以便減少附加誤差。

四、基本測試結果

zzzz2臺多聲道流量計(M1和M3)在基準安裝條件下的測試性能示于圖2和圖3。結果以百分誤差表示(相對于 MRFHPL臨界流噴嘴),其作為通過流量計的平均流速的函數。一個點代表了每個流量下6個重復測量的平均值,誤差帶表示95%置信水平。

zzzz對于流量計M1,在速度大于10ft/s時,所有的數據均落于0.4%范圍之內,與速度無關(見圖2)。 在流速低于10 ft/s時,誤差曲線向上偏轉,這可能是一個正向的零偏差或者修正算法的偏離引起的,這不能完全認為是低流量下的速度剖面不同所造成的,或許是兩種影響的合成。

zzzz檢查流量計的零流量,指示出零點飄移量為0.01ft/s。如果去掉零飄移,向上的偏轉將會被拉平,由于最小的速度點(2.8ft/s)飄移為0.35%而在5.6ft/s的點飄移為0.18%。無論如何,這說明不能認為曲線向上偏轉完全是零點飄移引起的。


圖2 多聲道流量計M1的基本流量測量結果ccccccccccccccccccc 圖3 多聲道流量計M3的基本測量結果

zzzz檢查流量較準曲線,顯示出當流量計安裝在97D處和安裝在59D處測量的誤差之間有大約0.2%的差值。在97D處的誤差比59D處的誤差數值大(更向負方向)。類似的測量誤差也存在于 400 lb/in2(A)和 900lb/in2(A)的測試情況之中。

zzzz流量計M3的測量誤差與流經流量計的速度有關,示于圖3。這臺流量計測量誤差的非線性特征不同于先前在MRF(Grimly)和其它地方(Van Bloemendaal和Van der Kam完成)做過的12in流量計的類似的實驗所觀察的結果。只有流量計安裝在59D處,在壓力400 lb/in2(A)狀態下收集到的數據,平均流速還在10ft/s以上時,誤差落在0.3%范圍之內,當速度增大時誤差曲線向下傾斜。

zzzz 在59D、400 lb/in2(A)數據組中,個別聲道狀態信息表明,這是因為被測量的傳播時間不能通過內一致性檢查。這可能就是與其它數據組有偏差的原因。

zzzz 數據,包括可疑的數據組,在速度10 ft/s以上時,保持在0.5%誤差以內,這些數據也表明,當壓力從400 lb/in2(A)增到900 lb/in2(A)時流量測量差值為0.2%。當流量計在 59D與 97D處比較,壓力在900 lb/in2(A)時的現量結果差值為0.1%。

zzzz 對于該差值的可能解釋是,在59D以后速度剖面繼續發展。通過單個聲道速度比的比較,可以看出速度剖面形狀改善。表3表示的是流量計M1在最大流量點,中心聲道速度(超聲聲道在管線軸中心線)對外部聲道速度的比值。流量計M3的類似的計算值示于表4。由于流量計具有唯一的聲道位置,對于不同的流量計型式不應該進行比較。

zzzz 然而,2臺流量計在59D和97D的試驗結果之間存在著一致性的差別。59D試驗數據的較小比值說明了該處的速度剖面比97D處的速度剖面具有較小的弧度。流量計的響應性的差別也會有一個剖面靈敏性的結果。對速度剖面進行測量的目的是更好地特性化在基準安裝條件下的速度剖面。

表3 M1中心到外部的速度

位  置
400 lb/in2(A)
900 lb/in2(A)
59D
1.03179
1.03046
97D
1.03751
1.03628

表4 M3中心聲道到外部聲道的速度比

位  置
400 lb/in2(A)
900 lb/in2(A)
59D
1.18073
1.17904
97D
1.19218
1.19292

zzzz單聲道流量計M2(見圖4)安裝在78D處時有大約-1.2%的偏移;安裝在40D處有大約-1.8%的偏移,這臺流量計的結果說明,在流量測量中的誤差值與壓力無關,但與軸向位置有關。單聲道流量計M4在兩個軸向位置和兩個操作壓力的測試誤差曲線表示于圖5中。曲線表明有一個0.5%的平均偏差,這也表明,在線壓力比90o彎頭和流量計之間的距離對測量結果影響更大。


圖4 單聲道流量計M2的基本測量結果xxxxxxxx 圖5 單聲道流量計M4的基本流量測量結果

zzzz誤差曲線表明了速度在10ft/s以下,在400 lb/in2 (A)、78D處的數據大的偏差與其它結果的不一致性。通常,單聲道流量計的測量數據比多聲道流量計測量的數據更分散。由于這種流量計不具有多聲道超聲流量計平均氣流的優點,這個分散是不奇怪的。單聲道流量計的這一特性在流量低于10ft/s時尤為明顯。

五、 安裝對測試的影響

zzzz到目前已經實施的影響測試的安裝工藝示于圖6。單聲道流量計在兩個不同的位置1和2(一個單90o長徑L形彎管下游10D和19D)進行測試。多聲道流量計在兩個平面布置的彎頭下游,在位置3和4(第二個L形彎管下游10D和19D處)進行測試。
zzzz測試管線為裸管,在位置3和4上游安裝有2臺不同的流束整流器。第一臺流量計位于整流器出口下游5D處,這符合AGA 7號報告對渦輪流量計安裝的最低要求。另外,多聲道流量計的測試中,兩個平面彎頭的布置是與管道成水平方向設置的。由于這種布置代表著一種安裝形式,即彎頭提供了一個豎直的偏移,故流量計要旋轉90o以保持其測量聲道與流動干擾的相對正確方位。


圖6 初期用于上游流量影響測試的管線布置

六、 安裝對測試結果的影響

zzzz這些結果以與基準條件下的測試結果的偏差形式報告出來。

zzzz
對于多聲道流量計M1和M3,流量計安裝在單90o彎管下游97D處取得的數據結果代表基準條件下的測試結果。單聲道流量計M2和M4,流量計安裝在90o彎管下游78D處,取得的結果用于基準條件下的測試結果?;鶞蕳l件下的測試結果是一個最接近優化的工藝安裝所能得到的結果。

zzzz
多聲道流量計M1在兩個平面彎頭下游10D處測試的結果示于圖7。測試結果表明,裸管安裝產生的測量誤差在基本測量結果的0.5%范圍之內,相對誤差在0.3%~0.5%量級。相對誤差出現在高氣體流速情況。流量計安裝在第二個彎管下游10D處,配備有19管束整流器和GFC型整流器的測試結果沒有明顯的差別。在速度20ft/s以上,兩種整流器降低相對誤差至少到0.25%。

zzzz
對于速度20ft/s以下,所有的結果趨于收斂,這表明流量計要么是對安裝布置產生的速度剖面敏感,要么是在這個速度范圍內的速度剖面影響沒有明顯的差別。所計劃的速度剖面的測定將有助于解釋這些結果,它也將進一步對已經收集的與單一聲道速度比有關的數據進行解釋。

zzzz
安裝在兩個平面彎頭下游19D的流量計M1的測試結果示于圖8。裸管和19管束整流器的結果相對測量誤差都約為0.5%。當流量計安裝在彎管下游19D處裸管測量的誤差比流量計安裝在10D處的誤差稍微大一些,在10ft/s速度以上,與GFC一起安裝的測量結果與基準條件下的測試結果相比較在0.l%之內。另外,低流速時,測量結果收斂。

zzzz安裝在雙彎頭下游的多聲道流量計M3的測試結果(見圖9)表明,對于裸管,當速度大于20ft/s,M3的誤差小于0.25%。19管束整流器和GFC整流器結果將裸管的測量結果包括在內,具有-0.30%~25%的差值。相對誤差隨著流動速度的變化是由在97D、400 lb/in2(A)處基準條件下的測試數據(見圖3)的弧度引起的。

zzzz 由安裝在19D處的流量計M3測試的裸管安裝條件下的結果示于圖10中,與10D位置的流量計數據相比偏移了大約0.2%,并且在20 ft/s速度以上,仍保持在基本測試結果的 0.25%之內。除了最高流速以外,19管束整流器的數據接近一致。對于氣流速度45 ft/s以上,GFC產生的測量誤差比19管束整流器和裸管更接近于基準安裝條件下的誤差。

zzzz由圖7至圖10的測試結果表明,對多聲道超聲流量計使用整流器有一定益處,這取決于流量計的型式和位置。上面有些情況相對于基準條件下的測試誤差偏移會引起這樣的絕對誤差,這些絕對誤差實際上比基準條件下的結果更接近于零誤差。這個結果是由意外引起的還是流量計研究中因不夠理想的速度剖面引起的尚不清楚。


zzzz
圖7 同一平面內相距10D的兩個彎頭下游zzzzzzzz圖8 同一平面內相距10D的兩個彎頭下游
zzzzz10D的多相流量計M1的相關性能zzzzzzzzzzzzzzzzz19D的多相流量計M1的相關性能


圖9 同一平面內相距10D的兩個彎頭下游zzzzzzzzzzz圖10 同一平面內相距10D的兩個彎頭下游
10D的多相流量計M3的相關性能zzzzzzzzzzzz zzzzzzzz19D的多相流量計M3的相關性能

zzzz在一個90o長徑彎管下游10D和19D處安裝的單聲道流量計的測試結果示于圖11。測量結果表明誤差偏移相對于安裝在90o彎頭下游78D處的基準條件下的測試誤差約2%~2.2%。流量計繞軸線旋轉90o產生的附加誤差偏移為1.3%。


圖11 單個90o個彎頭下游單聲道流量計M2的相關性能zzzz圖12 單個90o個彎頭下游單聲道流量計M4的相關性能


zzzz 因為在這一例子中,單聲道流量計以其正常方位安裝,它的聲道與垂直方向成30o,很可能與流量計的安裝方位有關。在這種安裝中,流動的非對稱主要分量在垂直平面內,當流量計旋轉90o時,相對于流動干擾的聲道方位發生了變化。
安裝在彎頭下游19D的流量計M4除了90o位置外,相對于基準條件下的偏移約為1.5%~2%,結果示于圖12。由于測量聲道與垂直方向成45o應該是這一原因,這臺流量計的測試結果說明與其位置基本無關。在這種情況,盡管當流量計機體的軸中心發生偏轉,聲道位置相對于流動干擾仍保持一致。

七、結 論

zzzz 基準條件下的測試說明,在一個長徑90o彎頭下游59D處流體速度剖面沒有充分發展,測試的流量計對隨后的發展中的速度剖面敏感。這表明測試的8in流量計的準確度可以通過流量校準得以改善。

zzzz 8in的多聲道流量計的測試結果表明,使用整流器對改進測量準確度具有潛在好處。

zzzz 單聲道流量計測試表明其具有潛能,在流場條件好的情況下,可以獲得優于0.5%的測量準確度。通過安裝在一個單個的90o彎頭下游10D和19D處的流量計的測試說明流量計對一個簡單的擾流的敏感度。相對于基準條件下的測試,流量測量誤差范圍為1%~4%。

zzzz
實驗測試結果只是一個大的測試計劃的初步,對取得的數據和來自這個測試計劃其它的試驗資料進行更加深人的分析,將獲得有關超聲流量計在高壓天然氣中應用性能的新認識。

資料來源于《管道和天然氣工業》1998年12月
編譯:潘兆柏
審校:周永全

 

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