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超聲氣體流量計在氣田貿易計量系統中的應用2005年8月

摘要 在天然氣貿易交接計量過程中,為確保貿易雙方的經濟利益,要求流量計量儀表應具有精確度高、能耗低和維修少的優良特性。長慶氣田在給“西氣東輸”管道供氣的天然氣貿易計量系統中,首次采用了氣體超聲流量計,取得了一定的工程設計經驗和較好的現場應用效果。

關鍵詞   天然氣   貿易計量  超聲流量計  計量系統

0 引言

   由于超聲氣體流量計具有測量范圍寬、便于安裝、易維護、流量測量的影響因素少、準確度高、重復性好等特點,使其成為天然氣貿易計量領域的一種很重要的流量計量儀表。隨著“西氣東輸”工程及其下游天然氣利用工程的不斷建設,氣體超聲流量計用于天然氣貿易交接計量,獲得了長足的發展,并逐步為用戶接受。

1  工作原理及特點

1.1 氣體超聲流量計是指采用超聲波傳播時間差法進行氣體流量測量的超聲流量計。其基本工作原理是:在有流體流動的管道中,超聲波脈沖順流傳播的速度要大于逆流傳播時的速度,即在相同行程內,超聲波信號順流的傳播時間比在逆流情況下要短,管道內流體的流速越大,超聲波順流和逆流傳播的時間差越大。氣體超聲流量計就是通過測量高頻聲脈沖在管道內順、逆流條件下的傳播時間差(該時間差與氣體軸向平均流速有關),從而使用數值計算技術,計算工作條件下通過氣體超聲流量計的氣體軸向平均流速和流量。氣體超聲流量計的基本工作原理,如圖1所示。

測量原理:

    

    

   

  

                    圖1 氣體超聲流量計基本原理圖

式中: 為順向傳播時間; 為逆向傳播時間;C為在被測氣體中的聲速;V為氣體流動速度;L為上下游傳感器間距離;X為傳感器軸向距離;D為儀表孔徑;Q為被測氣體工況流量。

氣體超聲流量計的設計是基于以下假設進行的,即,對于任何穩定的管道內流體,其流速是以管軸為中心對稱分布的。而實際情況是流體在管道內流動時,流速很少沿管軸對稱分布,它們受上游管道的安裝、管道狀況、現場阻流件和其它因素等的影響,所有這些都會影響流體流速的對稱分布。為此,世界各著名的超聲流量計生產廠,對此進行了許多實驗模擬,各自提出了非對稱流體流量測量的解決方案,如荷蘭Instromet公司的五聲道超聲流量計,采用多反射聲程加長技術,即沿管軸線對稱分布三組單反射傳感器和兩組二次反射傳感器,據此制定相應的儀表信號處理方案,以修正速度分布畸變與旋轉流對測量值的影響;美國Daniel公司的四聲道高級超聲流量計,則采用對射式,四組對射傳感器分布在四個平行的平面上,傳感器“X”型分布,使之更有利于渦流或偏流等流體的測量。

下面以Daniel高級超聲波流量計為例,簡述其基本構成。該流量計通過測量在四個并行的測量通道上超聲波通過氣體時的傳輸時間,以精確獲取通過儀表的氣體平均流速。四個測量通道的選擇充分考慮到在不受流體特性影響下取得最優的精度。四個測量通道均與管軸呈45°角分布。每條測量通道擁有2個超聲波傳感器,交替作為超聲波信號能量的發送及接受裝置,用來測量超聲波通過順流和逆流時的傳輸時間。傳感器被安裝在表壁的固定位置上,距離X與L在儀表制造組裝時即已確定。對于每臺超聲流量計這些參數都是對應固定的,這些確定的距離,可通過高精度的精密加工實現,結合對每對傳感器的電子特性的測量,使得超聲流量計能夠在無需進行標定的情況下,獲得很高的精度和重復性。

1.2  氣體超聲流量計的性能特點

氣體超聲流量計從其工作原理和儀表結構分析,具有以下性能特點:

①檢測件是一段無阻礙物的圓管,結構簡單、無可動部件、無壓力瞬時并且免維護;

②適用的流量范圍大(量程比寬為40∶1,最高可達100∶1);

③精確度高(≤+0.5%),重復性好,線性好;

④有強大的自檢和自診斷功能;

⑤各生產廠所具有的專利聲道布置技術,可有效解決流體的速度分布不對稱和渦流造成的影響;

⑥雙向測量;

⑦氣體超聲流量計更著重于采用軟測量方法解決問題,具有儀表工作原理與結構簡單、信號與流量(流速)為線性關系、測量采用高速數字信號處理技術等其它流量計不可比擬的優點。

2  與孔板流量計計量系統的對比

   氣體超聲流量計采用荷蘭Instromet公司的五聲道超聲流量計和美國Daniel公司的四聲道高級超聲流量計?装辶髁坑嫴捎酶呒壙装彘y,配套溫度變送器和壓力、絕壓和差壓變送器。

經過多年的應用和使用經驗分析,孔板流量計的節流裝置制造偏離、安裝位置偏離、被測介質流動狀態影響、使用過程中腐蝕、磨損、附著以及直管段長度不夠等因素帶來的測量誤差相對影響量最大。目前,孔板流量計主要采用干檢法對二次測量儀表及計量孔板進行不確定度控制。而利用“干檢”幾何測量法主要是對孔板、二次儀表及流量計算機進行一年一次的周檢,來評估整套孔板流量計的系統不確定度,但是不能對以上因素產生的誤差定性、定量估算,因此,無法完全定量確定整套計量裝置的總不確定度,對由此產生的偏差,不能給出合理的、確定的修正系數。

氣體超聲流量計沒有如節流裝置幾何形狀及尺寸變化影響儀表特性的問題,其聲道長度,聲道角及管道橫截面面積是恒定的參數;也沒有引壓管線之類易引起故障的部件,能夠根據現場條件確定儀表系數并為此長期穩定。尤其是能夠滿足用戶要求天然氣流量計量系統,必須具有高精度、無壓損、低能耗、結實耐用、維護少的特點。根據技術與經濟的比較,流量計口徑在DN200以上時采用氣體超聲流量計的設置方案比較合理。

長慶氣田“西氣東輸”管道供氣工程中,其供氣能力按30×108m3/a設計,天然氣流量計量系統若采用孔板流量計作為計量儀表,為滿足范圍度的要求,至少需設置5條10″計量管路(4用1備);采用氣體超聲流量計則只需設置3條10″計量管路(2用1備)即可,可節省近50%的占地空間和2條計量管路的管閥件,并且計量精度更高,儀表工作更穩定,維護量更少。

3  計量系統方案

在長慶氣田“西氣東輸”管道供氣工程具體設計中,供氣能力按30×108m3/a進行設計。如圖2所示,詳細情況如下:

                圖2  超聲流量計管路安裝示意圖

①采用三臺10″的氣體超聲流量計作為計量儀表,其計量管路嚴格按照GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中有關管道配置的要求進行設計。被測天然氣的流速范圍,根據規范一般采用0.3~30m/s,根據我們的經驗推薦采用0.3~25m/s。

②在計量系統計量管路前后加裝匯管,使之與調壓系統隔離,以利于消除調壓系統噪聲可能對超聲流量計造成的影響。

③每條計量管路設置至少前30D(D為管徑內徑,下同)的計量直管,在超聲流量計前10D處安裝流動調整器,流動調整器采用板式結構。其中計量直管段的直度、圓度和內表面粗糙度等加工參數,均滿足AGA3#報告的相關內容要求(參照)。

④計量管路中計量儀表上游入口閥處,各安裝一個DN25的小口徑截止閥控制慢速開啟,以使流量計和相關緩慢增壓,避免設備、流量計等儀器儀表的損壞。

⑤每條計量管路設置專用的流量計算機,天然氣流量信號經流量計接入凈化廠DCS,數據接口為RS-485標準Modbus協議。超聲流量計配套的數據處理單元為防爆型(防爆等級不低于dIIBT4)就地安裝。

⑥各計量管路配套安裝溫度和壓力檢測變送器。壓力變送器采用0.075級絕對壓力變送器,安裝位置在流量計表體上;溫度變送器采用0.2級一體化智能溫度變送器,安裝位置在流量計下游4D處。溫度、壓力信號對應接入各自的流量計算機。

⑦整個計量系統統一設置在線氣體色譜儀,專門用來檢測天然氣的組分,并將實時組分數據通過凈化廠DCS傳送至流量計算機,通過流量計算機內置的壓縮因子公式(壓縮因子是按一定的計算公式、且隨不同的溫度、壓力而動態計算的)計算出壓縮系統。流量計算機將計量結果數據上傳DCS。

具體信號連接方案實例如圖3所示。

                     圖3  超聲流量計信號連接圖

4  應用情況

   在長慶氣田“西氣東輸”供氣工程中,共使用了3臺氣體超聲流量計用于天然氣貿易交接計量,經過近2年時間的運行,超聲流量計可靠準確,實現了日常的“零維護”,流量計的工作情況令貿易交接雙方均比較滿意。但下述問題在今后的設計應用中應予以重視:

①計量系統設計方案可進一步優化,比如在超聲流量計后,每組標定接口串接一臺計量用的標定流量裝置,交替對每臺超聲流量計定期進行比對核查,可大大提高計量系統的可信度。

②同一計量系統中,流量計和在線全組分析設備最好采用同一品牌產品,以確保通信接口的統一,實現系統間的無縫連接。

③采用可帶壓更換探測器的流量計,備用一對探測器,并定期進行自檢,發現問題及時更換。

5  結束語

   經過一年多的實際應用,氣體超聲流量計完全達到了設計要求。實踐證明,多聲道氣體超聲流量計完全適用于氣田天然氣外輸貿易計量,可有效提高氣田天然氣計量技術水平。由于氣體超聲流量計具有結實耐用、量程比寬、無壓損、標定周期較長、準確度高、維護工作小等優點,必將在氣田外輸天然氣流量測量領域得到廣泛使用。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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