氣體超聲流量計的標定和應用

時間：2009/5/18閱讀：2661

　目前，在中國天然氣計量系統(tǒng)中以孔板流量計為主。*，孔板流量計由節(jié)流裝置、導壓管路系統(tǒng)、差壓計組成。其特點是量程比小，壓損大，對脈動流很敏感，不可以測雙向流等。雖然孔板流量計已有上百年的歷史，但由于計量儀表誤差（節(jié)流裝置的設計、制造、安裝和使用條件不符合ISO5167-1^[1]的要求，或者儀表選擇不當）以及使用條件變化帶來的誤差（較長時間內，流量的變化超出了所選儀表的測量范圍，或者脈動流的產生），往往使孔板流量計的精度不能優(yōu)于±1.5%。盡管ISO/TR3313^[2]已對脈動流的抑制及誤差估計提供一些數(shù)據供用戶使用參考，但要應付現(xiàn)場的需要仍有很多不足之處：①現(xiàn)場的阻流件類型遠多于標準中提供的，并且阻流件的組合形式千變萬化，因此現(xiàn)場仍有些問題有待解決（如旋風分離器、匯管在標準中就沒有規(guī)定）；②試驗研究需花費大量的人力、物力；③采用整流管以縮短直管段長度會帶來附加壓損，同時也會增加使用維護工作量。孔板不適于測脈動流，因差壓信號與流量為非線性關系，引壓管線使信號遲滯及畸變，節(jié)流件對脈動波產生障礙形成波的反射等^[3]。由于上述影響孔板流量計貿易結算精度的因素多，造成天然氣輸送計量誤差達2%以上。如何改善與提高天然氣計量系統(tǒng)的精度是業(yè)內人士普遍關心的問題，并相應開發(fā)了大量的新型流量計。在諸多流量計中，通過中國天然氣流量計量站（以下簡稱計量站）天然氣實流測試與現(xiàn)場應用，證明超聲流量計、智能型旋進旋渦流量計效果較好，值得推廣使用。

天然氣流量計量站概況

　　中國石油工業(yè)天然氣流量計量站是亞洲投資規(guī)模zui大的天然氣計量站，擁有質量一時間法（mt）一級標準系統(tǒng)（其不確定度0.1%）和臨界流文丘利噴嘴次級標準系統(tǒng)（其不確定度0.25%）。標定壓力范圍：0.2～3.8MPa，標定工況流量范圍：5～6000m³/h。管徑范圍：DN25～DN400。迄今為止，對美國、荷蘭、德國、新加坡、中國等國各種流量計進行了實流標定與比對，積累了數(shù)萬個實驗數(shù)據。

氣體超聲流量計的實流標定與現(xiàn)場應用

1 實流標定

　　計量站用不確定度為0.25%的臨界流文丘利噴嘴作流量標準裝置，按AGA.NO.9^［4］報告草案并結合JJGl98-94檢定規(guī)程^[5]分別進行了以下不同測試：①不同聲道（五、四、三、二、一）；②不同管徑（DN300、DN150）；③不同安裝條件（理想管路條件、非理想管路條件；"理想條件"是指安裝條件較理想，如170D以內無彎頭，無過渡部件，無阻力件等。流場較穩(wěn)定，如無脈動流，無旋渦流；"非理想條件"是指在超聲流量計上游13D前人為加入阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器、匯管等）；④不同安裝方向（流量計正、反向安裝，聲道水平、垂直安裝）；⑤不同壓力（2.0MPa、1.2MPa、0.8MPa）。
　　（1）超聲流量計適宜于高壓、大口徑、大流量工況條件，但對小流量尤其是拐點（zui大流量的10%，用Qt表示）以下流量段應慎用（見圖1）。

圖1 12"Q.Sonic-5S超聲流量計理想管路后和非理想管路后測試結果比較（標況）
說明：雙彎頭后測試中，除流量為240m³/h時，其相對示值誤差為1.45%外，其余各點都在指標內。

（2）超聲流量計的計量不受氣體流向的影響，能以相同準確度進行雙向流量計量（見圖2）。

圖2 12''4S超聲流量計理想管路下正、反向流量示值誤差比較圖（流量計系數(shù)0.9962）

（3）對同一生產廠家的超聲流量計，聲道數(shù)越多，流量計量準確度越高，性能越可靠（見表1）。

表1 相同條件下聲道數(shù)對超聲流量計的影響

序號	聲道數(shù)	安裝條件	Qt以上		Qt以下
序號	聲道數(shù)	安裝條件	相對示值誤差（%）	重復性（%）	相對示值誤差（%）	重復性（%）
1	五聲道	理想條件	-0.32	0.16	-0.64	0.30
2	三聲道	理想條件	-0.38	0.20	0.93	0.26
3	雙聲道	理想條件	-0.65	0.39	-0.77	0.26
4	單聲道	理想條件	0.96	0.44	-1.14	0.48

　　（4）超聲流量計的出廠檢定與實流標定之間存在一系統(tǒng)誤差，出廠干檢法檢定合格需經實流校準，有時由于安裝造成的誤差可能超過0.3%。如4S超聲流量計其出廠時流量系數(shù)定為0.9962，在理想管路測試能保證度優(yōu)于±0.5%，但在非理想管路條件下實流校準設置的參數(shù)，在"理想管路條件"2.0MPa與0.7MPa壓力測試時，偏差大于AGA.NO.9關于管路安裝影響不大于0.3%的規(guī)定，因此應根據現(xiàn)場工況條件進行實流標定（見圖3）。

圖3 理想管路條件下流量系數(shù)調整前、后測試結果比較圖

　　（5）DN300三聲道超聲流量計在"非理想管路條件"下和同等條件下的四聲道流量計測試結果可以看出，在流量計聲道出現(xiàn)故障時，能有效進行診斷和補償（見圖4）。

圖4 超聲流量計非理想管路條件下0.8MPa壓力三聲道、四聲道工況流量相對示值誤差圖（流程二，流量計系數(shù)=0.9962）

　　（6）超聲流量計在"理想管路條件"下（超聲流量計上游直管段170D，下游直管段15D）2.0、1.2、0.8MPa壓力下，工況流量示值相對誤差略有不同，但流量相對示值誤差、重復性和峰間誤差均符合AGA.NO.9號報告要求，詳見圖5。說明在超聲流量計入口無旋渦流，脈動流情況下，在正常工作壓力范圍內，能保證精度優(yōu)于±0.5%。

圖5 超聲流量計理想管路條件正向流不同壓力工況流量相對示值誤差圖（流量計系數(shù)=0.9962）

2 現(xiàn)場應用

　　本測試中的DN300五聲道超聲流量計與DN300 4S超聲流量計均在青白江站進行了現(xiàn)場應用，并與孔板流量汁進行了在線比對。實驗管路的工作壓力約0.9MPa（表壓），流量約為160萬方/日（約相當于6000m³/h）；同時另一臺DN500 5S氣體超聲流量計和DN150單聲道氣體超聲流量計分別在北京集輸公司和四川德陽進行了現(xiàn)場應用；另外，氣體超聲流量計在克拉瑪依、長慶油田等均進行了現(xiàn)場應用^[6]，結果共同表明其性能穩(wěn)定、可靠，能適應壓力、流量具有一定波動幅度的工況條件，流量計算機能自動顯示瞬時流量、累積流量、壓力、溫度等各種參數(shù)，具有無壓損、可測脈動流、自動化程度高、現(xiàn)場使用操作簡便、故障自診斷能力強、測量范圍寬、抗*力強等特點。

結　　論

　　對大口徑、高流量的計量系統(tǒng)宜采用超聲流量計
　　超聲流量計計量準確度可優(yōu)于±0.5%，其具有準確度高、重復性好、量程比寬、抗*力較強、維修量小、可測雙向流等特點。為保證計量系統(tǒng)精度，在現(xiàn)場使用前須經實流測試校準，在Qt以下流量段應慎用。

參考文獻

1 ISO5167-（1991）Measurement of Fluid Flow by mean of Orifice plates, No33Lesand Venturi Tubes Inserted in Circular cross-section Conduits Running Flull 1990
2 ISO/TR 3313 Measurement of Plusating Fluid Flow in a pipe by mean of Orifice plates, No33LS Or Venturi Tubes 1992
3 孫淮清氣體超聲流量計與孔板流量計在天然氣工業(yè)中應用的比較石油工業(yè)技術監(jiān)督，1998，6
4 中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程匯編（三）北京：中國計量出版社，1995，2

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