氣體超聲流量計的標定和應用

時間：2009/5/18閱讀：2627

　目前，在中國天然氣計量系統中以孔板流量計為主。*，孔板流量計由節流裝置、導壓管路系統、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據供用戶使用參考，但要應付現場的需要仍有很多不足之處：①現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的精度是業內人士普遍關心的問題，并相應開發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

　　中國石油工業天然氣流量計量站是亞洲投資規模zui大的天然氣計量站，擁有質量一時間法（mt）一級標準系統（其不確定度0.1%）和臨界流文丘利噴嘴次級標準系統（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，積累了數萬個實驗數據。

氣體超聲流量計的實流標定與現場應用

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0.9962）

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

表1 相同條件下聲道數對超聲流量計的影響

序號	聲道數	安裝條件	Qt以上		Qt以下
序號	聲道數	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定為0.9962，在理想管路測試能保證度優于±0.5%，但在非理想管路條件下實流校準設置的參數，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%的規定，因此應根據現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=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=0.9962）

2 現場應用

　　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場應用^[6]，結果共同表明其性能穩定、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，具有無壓損、可測脈動流、自動化程度高、現場使用操作簡便、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、高流量的計量系統宜采用超聲流量計
　　超聲流量計計量準確度可優于±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。為保證計量系統精度，在現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中應用的比較石油工業技術監督，1998，6
4 中華人民共和國國家計量檢定規程匯編（三）北京：中國計量出版社，1995，2

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