氣體超聲流量計在天然氣流量計量中的應用分析

王存偉

(中國石化股份有限公司中原油田分公司 天然氣產銷廠，河南 濮陽 457162)

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氣體超聲流量計在天然氣流量計量中的應用分析

王存偉

(中國石化股份有限公司中原油田分公司 天然氣產銷廠，河南 濮陽 457162)

摘要：根據GB/T 18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》，介紹了超聲波流量計在天然氣流量計量中的應用，闡述了時差法超聲波流量計的測量原理，分析了現場安裝技術條件，從軟件和硬件方面介紹了超聲波流量計測量天然氣流量系統構成；通過數據比對的方法對超聲波流量計的計量效果進行驗證。結果證明其準確性及可靠性高，便于對貿易交接氣量進行監督檢查，以此提高計量精細化管理水平。

關鍵詞：超聲波流量計儲氣庫天然氣流量測量

中原油田天然氣產銷廠承擔著“文96”儲氣庫的運行管理工作并接收榆濟管線外部來氣，使用超聲波流量計計量儲氣庫注采氣量和榆濟管道外部來氣氣量。隨著天然氣長輸管道的建立和集輸站場輸氣量的提高，超聲波流量計的應用越來越廣泛，為更好地在天然氣計量工作中使用超聲波流量計，根據2014年國家頒布的最新標準GB/T 18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》[1]，以柳屯增壓站榆濟采氣為例進行研究，開展關于超聲波流量計安裝條件、流量計量、維護保養等研究活動。

1研究內容

1.1測量原理

圖1　單聲道超聲波工作原理示意注： L——直線傳播距離；x——垂直傳播距離；D——管徑。

目前使用的超聲波流量計主要基于時差法測量原理，是通過測量高頻聲脈沖傳播時間得出氣體流量的速度式流量計。傳播時間通過在管道外或管道內成對的換能器之間傳送和接收到的聲脈沖進行測量。聲脈沖沿斜線方向傳播，如圖1所示，順流傳送的聲脈沖被氣流加速，而逆流傳送的聲脈沖則會被減速。其傳播時間差與氣體的軸向平均流速有關，從而使用數值計算技術計算出在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。只有1個聲道的流量計稱為單聲道氣體超聲流量計，有2個或2個以上聲道的流量計稱為多聲道氣體超聲流量計。超聲換能器與氣體直接接觸時，稱為插入式超聲流量計；超聲換能器不與氣體直接接觸時，稱為外夾式超聲流量計。

聲脈沖的傳播時間可通過下式計算：

(1)

(2)

式中：t1——反向傳輸時間，s；t2——正向傳輸時間，s；v——天然氣流體速度，m/s；c——聲速，m/s；L——直線傳播距離，m；x——垂直傳播距離，m。

由式(1)和式(2)得出：

(3)

(4)

天然氣的工況瞬時體積流量qVf可通過下式計算：

qVf=v S

(5)

S=π(D/2)2

(6)

式中：qVf——工況條件下天然氣的瞬時體積流量，m3/h；S——管道的橫截面積，m2；D——管徑，m。

1.2流量測量

標況條件下瞬時體積流量qVn按照下式進行計算：

(7)

式中：qVn——標準參比條件下的瞬時體積流量，m3/h；qVf——工作條件下的瞬時體積流量，m3/h)；pn——標準參比條件下的絕對壓力，MPa；pf——工作條件下的絕對靜壓力，MPa；Tn——標準參比條件下的熱力學溫度，K；Tf——工作條件下的熱力學溫度，K；Zn——標準參比條件下的壓縮因子，按GB/T 17747—1999計算得出；Zf——工作條件下的壓縮因子，按GB/T 17747—1999計算得出。

標準參比條件下的累積體積流量按下式計算：

(8)

式中：qV總——標準參比條件下在t0～t階段的累積體積流量，m3/h；t0——進行累積流量積分的初始時間，s；t——進行累積流量積分的結束時間，s。

1.3現場安裝技術條件

1.3.1溫度

流量計的安裝應滿足工作介質溫度為-20～60℃，工作環境溫度為-40～60℃，應根據安裝點具體的環境及工作條件，對流量計組件采取必要的隔熱、防凍及其他遮雨、防曬等保護措施。中原地區常年溫度在-15～50℃，滿足超聲波流量計所需的介質溫度和工作溫度。冬季根據指定的操作規程及時采取保溫處理。

1.3.2振動

流量計的安裝應盡可能避開振動環境，特別要避開可引起信號處理單元、超聲換能器等部件發生共振的環境。該站安裝有4臺增壓機組，超聲波流量計安裝位置與增壓機組直線距離超過了100m，能有效避免增壓機組工作時對超聲波流量計的影響。

1.3.3電氣噪聲

在安裝流量計及其相關的連接導線時，應避開可能存在較強電磁或電子干擾的環境，否則應咨詢制造廠并采取必要的防護措施。為防止電磁干擾，該廠根據儀器儀表安裝標準規范，提出超聲波流量計現場線纜施工標準，要求如下。

1) 超聲波信號電纜與具有強電場和強磁場的電器設備和電纜之間的距離要大于1.5m，帶屏蔽的電纜穿金屬保護管時應大于0.8m；不同電壓等級的電纜不應敷設在同一電纜槽或保護管內，或采取金屬管隔離措施。

2) 電纜敷設嚴格按照規范要求施工。埋地敷設電纜埋深大于70cm，而且要埋于凍土層以下，上下鋪100mm厚的沙子，沙上蓋一層磚或混凝土護板，覆蓋寬度至少大于電纜邊緣的50mm。

3) 自動計量系統根據需要設置保護接地、信號回路接地和屏蔽接地，并保證接地可靠，接地電阻符合標準要求。

4) 系統的防雷防浪涌設備按要求安裝到位，并保證可靠接地，接地電阻小于1Ω。

5) 流量計或儀表嚴格按照相關標準安裝施工，避免安裝不規范、應力和其他因素影響其穩定性和準確度。

1.3.4聲學噪聲

流量計的安裝應盡量防止聲學噪聲對測量性能產生的不利影響。在調壓計量站中，流量計通常應安裝在調節閥的上游。該站超聲波流量計在安裝初期時并沒有考慮到噪聲對流量計計量的影響，由于日均來氣量在1×106m3，氣體流速大，壓力高，在流量計運行后時常發出刺耳的氣流聲，經過一個月的運行后發現其噪聲無法消除，尤其在來氣量大的情況下尤為明顯。根據超聲波流量計測量原理，超聲波能量轉換器發出超聲用于測量，外界噪聲勢必對其計量造成影響，為消除噪聲對流量計計量的影響，后期在超聲波流量計安裝的下游管段增加了彎管，通過緩沖氣量流速來降低噪聲的產生。

1.3.5脈動

應考慮在流量計附近可能存在的流動脈動，并采取適當的措施，盡量減小脈動導致的附加測量不確定度。超聲波流量計在安裝時為防止天然氣在管道中經過彎管等節流部件產生紊流、脈動等現象，在上游直管段安裝了天然氣整流器。

1.4系統設計

針對以上技術要求，具體系統設計如下： 根據文獻[1]的要求，使用超聲波流量計進行天然氣標準參比條件下的體積流量測量，所需軟硬件組成如圖2所示。

圖2　超聲波流量計計量軟硬件組成示意

1.4.1超聲波流量計

該站安裝了1臺DN250氣體超聲流量計，計量榆濟輸氣線來氣，日均氣量為1×106m3(圖5)。該流量計具有 4 個及以上超聲波測量聲道，能對輸送管道中的天然氣進行高精度的測量。流量計通過接收成對超聲換能器的聲波信號，經由信號采集電路和 DSP 微控制器組成的信號處理單元進行運算處理、顯示、儲存記錄測量結果，并轉換成標準的 4～20mA 、RS-232/RS-485/以太網(支持標準 Modbus協議)和脈沖輸出信號。

1.4.2壓力傳感器

下游直管段上安裝壓力變送器，用于測量被測氣體的壓力，輸出標準的4～20mA信號，通過專用計算機雙屏蔽鎧裝線纜接到流量計算機上用于壓力補償。

1.4.3溫度變送器

下游直管段上安裝有溫度一體式變送器，用于測量被測氣體的溫度，輸出標準的4～20mA信號，通過專用計算機雙屏蔽鎧裝線纜接到流量計算機上用于溫度補償。

1.4.4流量計算機

榆濟線來氣貿易交接采用標準參比條件下的體積流量。柳屯增壓站采用流量計算機與超聲波流量計、壓力傳感器、溫度傳感器相結合完成標況流量的測量，該流量計算機具有高精度補償運算、數據顯示存儲以及運用網絡實現通信的功能。

流量計算機在流量計算時，通過串口通信或頻率輸入方式采集流量計的工況流量信息，并采集溫度和壓力變送器提供的信號(支持 HART信號，可以保持輸入精度)參與標準狀況的體積修正。流量計算機滿足 GB/T 18603—2001《天然氣計量系統技術要求》及 JJG 1003—2005《流量積算儀檢定規程》等相關規定[2-3]，其內部系統軟件的設計合理，計量管理功能齊全，具有安全的數據庫系統與大容量的儲存能力，各種被測參數的歷史記錄、報警記錄及配置參數修改記錄等都能可靠保存6a以上。該產品經過周密的可靠性設計，具有良好的電磁兼容和可靠性。在體積量運算方面采用了以下幾種計算氣體壓縮因子(簡稱Z因子)的方法，如： GB/T 17747，AGA NO.8，ISO 12213[4-5]。對于一些特定場所，也可以采用固定的Z因子。

1.5運行維護保養

針對標準中對超聲波流量計運行維護保養的要求[1]，制訂了日常操作、維護保養操作規程，并形成作業指導書《設備操作規程計量儀表分冊》。操作規程中對超聲波流量計、溫度變送器、壓力變送器的運前檢查、投運操作、停運操作、清洗拆卸操作做了明確的規定。

1.6數據比對

由于超聲波流量計用于天然氣分公司和天然氣產銷廠貿易交接計量，為了加強對流量計的管理和輸差考核，該廠采用標準孔板流量計配套Floboss 103流量管理器對來氣同步計量，通過PLC采集流量管理器輸出的Modbus信號，讀取瞬時流量、溫度、壓力、差壓、當日流量和累計流量等參數，通過組態軟件顯示相關參數，2015年1月、2月的比對數據見表1所列。通過比對超聲波流量計和標準孔板流量計的流量計量，控制輸差在0.5%左右，有效控制輸差損耗造成的經濟損失，計量數據管理可控。

2實施效果分析

根據文獻[1]規定的內容，實施超聲波流量計在天然氣流量計量方面的應用，得出以下分析結果：

表1柳屯增壓站榆濟來氣計量數據比對

日期超聲波流量計/m3標準孔板流量計/m3差值/m3輸差率,%01-271106679110197847010.4301-281161059115455665030.5601-291177537117205254850.4701-301170459116348469750.6001-311156818115209947190.4102-011039252103382354290.5302-021030064102319468700.6702-0398749597768798081.0002-049972029966085940.0602-05100210099217599251.0002-061005369100035750120.5002-0799050798441160960.6202-0896241895889935190.3702-091021720101781239080.3802-101031912102514367690.6602-111045662103934763150.6102-1297635097185144990.46

1) 計量準確性高。經過近1a的運行，超聲流量計可靠準確，基本實現了日常的“零”維護，相對標準孔板流量計，計量準確性更高，不確定因素少。標準孔板流量計受節流裝置部件、安裝位置、流量計二次儀表等多種因素的影響，尤其使用過程中腐蝕、磨損、污油和引壓管等因素帶來的測量誤差影響更大。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， 計量準確性更高，不確定因素少，具有高精度、無壓損、低能耗、結實耐用、維護少的特點。

2) 計量可靠性高。超聲波流量計在設計之初，通過設計計量系統方案，在流程區與標準孔板流量計裝置串聯起來，通過與標準孔板流量計的數據比對得出，同時對每臺超聲流量計進行流量數據比對，可以有效避免輸差過大造成的經濟損失，可大幅提高計量系統的可信度。

3) 應用前景廣。由于氣體超聲流量計具有可測量氣體的單雙向流量、量程比大、標定周期較長、準確度高、維護工作量小等優點，隨著“文96”儲氣庫的發展和“文23”儲氣庫的建立，采用超聲波流量計對儲氣庫注采氣進行計量勢在必行。同時，根據天然氣產銷廠自身特點，在外銷口使用小型超聲波流量計，能有效避免因為傳統流量計低限運行造成的氣量損失。

3結束語

通過對超聲波流量計的測量原理、現場安裝技術條件、系統設計和數據比對等方面進行了分析和測試，不斷提高超聲波流量計管理能力和計量精細化管理水平，為今后推廣使用超聲波流量計做好技術儲備具有重要的意義。

參考文獻：

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Application Analysis of Gas Ultrasonic Flowmeter in Natural Gas Flow Measurement

Wang Cunwei

(Natural Gas Production & Marketing Plant， Sinopec Zhongyuan Oil Field， Puyang， 457162， China)

Abstract：Application of ultrasonic flowmeter in natural gas flow measurement is introduced according to latest standard of GB/T 18604—2014“Measurementofnaturalgasflowbygasultrasonicflowmeters”. The measurement principle of time difference ultrasonic flowmeter is expounded. The onsite technical installation conditions are evaluated. The system constitution of natural gas flow measurement with ultrasonic flowmeter is introduced from the aspects of software and hardware. The measurement result of ultrasonic flowmeter is verified through data comparison method. The result proves the accuracy and reliability of ultrasonic flowmeter are high， and is easy to supervise and inspect exchange gas amount for trade to improve metering delicacy management.

Key words：ultrasonic flowmeter; gas storage; natural gas; flow measurement

中圖分類號：TH814

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0069-04

作者簡介：王存偉，男，現就職于中國石化股份有限公司中原油田分公司天然氣產銷廠，從事天然氣集輸計量管理工作，任工程師。

稿件收到日期：2015-07-22，修改稿收到日期：2015-09-22。