超聲波流量計診斷技術在天然氣計量中的應用

高飛

(中石化西北油田分公司 油氣運銷部，新疆 輪臺 841600)

中石化西北油田分公司油氣運銷部負責塔河油田天然氣的輸送及銷售，計量銷售主要通過流量計，所轄共計33處天然氣貿易計量交接點均使用多聲道超聲波流量計。近幾年，該公司天然氣產銷規模在不斷增加，其中通過超聲波流量計計量銷售的天然氣氣量占比很大。2016～2018年該公司通過超聲波流量計計量銷售氣量依次為9.9×108m3(占全年產量的90.8%)、1.02×109m3(占全年產量的81.6%)、1.1×109m3(占全年產量的81.5%)。因此，超聲波流量計在天然氣貿易計量中起到了關鍵性作用，其計量準確性及穩定性密切關系著該公司的經濟效益。

1 超聲波流量計診斷系統的建立及重要參數診斷

1.1 診斷系統的建立

庫車門站為雅-庫天然氣外輸系統的終端，設計輸氣量2.8×106m3/d，設計壓力為4.0 MPa，主要向4家用戶輸氣，是該公司天然氣外銷量最大的站庫之一，目前外銷量約為1.8×106m3/d，超聲波流量計在天然氣貿易交接站庫應用以來，流量計的運行狀態受到交接雙方的廣泛關注，根據近兩年天然氣外銷的統計數據，與流量計制造廠商合作，優先選擇在該門站建設超聲波流量計遠程診斷系統。

1.2 超聲波流量計計量性能監控參數

1.2.1信號質量

信號質量是按通道標明脈沖的接收程度，每一個接收到的信號都用以流量計量，是體現儀表性能的重要參數之一。當出現以下情況時，信號質量可能會受到影響： 流動條件發生變化，即高流速狀態下不同速度層之間的剪切作用，非規則流型，流量計腔體對外側聲道的邊緣效應，嚴重的湍流等發生后，導致信號質量出現問題；受到外界環境噪音和超聲聲學噪音干擾；氣體介質自身的條件，氣體中存在的顆粒或者液滴以及換能器前端的污染物會使信號散射、消弱、衰減。

當信號質量小于100%，但是若在最大流量的50%時信號質量未達到100%，應核查超聲波流量計[1]，可從減小流速、分析超聲噪音產生的原因和途徑、控制介質流動條件等方面排除超聲波流量計的故障。

1.2.2增益值

增益值指增強換能器接收到的信號值后才能達到所需要的振幅強度。超聲波流量計會根據信號強度的衰減情況自動調整增益值，以調整信號強度[2]，避免因為信號值波動導致漏檢或者誤判。

管道壓力、氣體流速、介質的臟污情況等是影響增益值的主要因素，當某聲道的增益值超過閾值或過大時，說明超聲波換能器所接收的信號過小，應清洗該聲道探頭，同時考慮拆檢換能器并進行清洗或更換。

1.2.3信噪比

信噪比是接受到的信號值與背景噪聲值的比率[3]。通常情況下，超聲波流量計在正常工作時其信噪比值較高，當出現低信噪比時意味著背景噪音的出現，可能存在控制閥噪聲或是超聲波換能器臟污需要清洗等情況。

1.2.4聲 速

聲速是超聲換能器發出的超聲波在流體中的傳播速度。聲速的大小受氣體組分、溫度、壓力的影響[4-5]。在理想狀態下，若保證計算聲速與測量聲速準確，通過計算聲速與測量聲速偏差可以確定流量計計量的精確度，判斷計量是否有偏差。

1.3 氣體流動狀態

超聲波流量計的計量精度依賴于氣體的流動狀態，理想條件下，進入流量計的天然氣流態應是對稱的、充分發展的紊流流速分布，不規則的流態分布會影響計量的準確性。

1.3.1流速特性

流速特征包括各聲道流速、平均流速以及流速剖面系數等，其中剖面系數是指靠近圓心的兩個聲道流速與外側2個聲道流速的比值[6]，四聲道超聲波流量計剖面系數的計算公式為

PF=(vB+vC)/(vA+vD)

(1)

式中：vA——流量計外側上部聲道流速；vB——靠近圓心處上部聲道流速；vC——靠近圓心處下部聲道流速；vD——外側下部聲道流速。

理想情況下的剖面系數為1.17。若剖面系數超出1.17±0.05(DN200管徑以上)、1±0.05(DN200管徑以下)時，可以初步判斷為漩渦或上游整流器部分堵塞、管線流態不好，基于此，排查并處理故障。

1.3.2對稱性、橫流值、漩渦角、擾動值的計算

針對超聲波流量計，制造廠商推薦對稱性值應滿足1±0.05，其計算公式為

Sym=(vA+vB)/(vC+vD)

(2)

橫流值滿足1±0.025，計算公式為

Cf=(vA+vC)/(vB+vD)

(3)

此時漩渦角小于2°，擾動值反映管道內部氣體狀態的參數，受氣體流態、振動、溫度、噪音等因素的影響，擾動值參考標準小于10%[7-8]。

2 遠程診斷技術在天然氣貿易計量中的應用

2.1 貿易計量診斷參數標準

自超聲波流量計診斷系統投用以來，該公司計量人員每月定期進行聲速核查以及流量計各參數診斷核查。以Daniel超聲波流量計為例，對某用戶超聲波流量計計量管路進行為期約5個月的診斷與跟蹤評價，對基本診斷數據進行統計如圖1所示。

根據流量計廠商監測參數標準值的建議，對比診斷參數與監控參數標準值，發現流速剖面系數超過標準值，判斷管道內流體流態發生較大變化，影響流量計的計量準確性[9]。后期清洗了超聲波流量計探頭，同時加裝整流器，優化流體流態，運行參數恢復正常，流量計流態變化見表1 所列。因此長期跟蹤超聲波流量計運行狀態可作為流量計生命周期管理、診斷、檢維護的可靠依據。

2.2 超聲波流量計診斷軟件解決現場故障實例

庫車門站計量崗人員反映某用戶天然氣流量計瞬時流量忽大忽小或無瞬時量的情況。通過MeterLink診斷軟件對該流量計進行核查。該流量計A，C通道測量的流速在-30～20 m/s大幅跳動，D通道無任何信號，發生報警，推斷出A，C，D 3個通道出現一定故障[10]。

根據以上數據基本判定A，C，D通道的探頭受污染或損壞。采取相應措施，切換流程、泄壓，現場拆解超聲波流量計探頭，發現4個通道探頭被黑色粉末覆蓋，有不同程度的污染，清洗探頭后診斷數據顯示各指標正常，超聲波流量計運行正常。

圖1 超聲波流量計核查基本診斷統計數據示意

表1 超聲波流量計流態變化對比

2.3 超聲波流量計診斷軟件解決計量糾紛

庫車門站某用戶反映該站計量數據比廠內的天然氣總進站流量計計量數據高10%左右。雙方人員核對兩方的計量流程，通過診斷軟件診斷超聲波流量計運行狀態，經核查該公司的流量計、壓變、溫變、運行狀態都完好，流量計內徑等各參數設置正確，計量系統通信正常，未發現影響計量準確性的問題。

同時對用戶的流量計進行診斷，顯示其廠內超聲波流量計A，B，C，D 4個通道中，A通道無法測量流量，D通道聲速、增益等指標超標，同時發現現場壓力變送器與流量計算機的絕壓程序不匹配。綜合結果表明，用戶廠內流量計的性能和壓力變送器配置不正確導致計量不準確，是雙方數據產生差異的根本原因。同時進一步說明超聲波流量計診斷軟件在處置現場故障和處理用戶糾紛方面發揮了重要作用。

3 結束語

開展超聲波流量計遠程診斷以后，計量技術人員按時對超聲波流量計進行診斷核查，保證流量計持續穩定運行，大幅提高了計量系統運行的可靠性，提高了計量精度和復現性，有效提高了天然氣輸差原因分析的科學性，同時降低了維護成本，為計量系統的穩定運行、提高計量管理工作的精細化管理發揮了重要作用。