天然氣作為一種上等能源和化工原料,準(zhǔn)確地進(jìn)行流量計(jì)量是企業(yè)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析、降低運(yùn)行成本的關(guān)鍵,直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,是備受供需雙方關(guān)注的環(huán)節(jié)。中國(guó)石油天然氣有限公司與下游各用氣城市貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量方式是多種多樣的,西氣東輸工程中的上游及南京等下游城市,普遍采用超聲波流量計(jì),由于它具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為了滿(mǎn)足西氣東輸工程的要求,我國(guó)于2001年編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t 18604—2001《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。

1 工作原理與特點(diǎn)
1.1 工作原理
超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用,測(cè)量體積流量的速度式流量?jī)x表,測(cè)量原理有傳播時(shí)間差法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法。天然氣超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理是傳播時(shí)間差法(見(jiàn)圖1)。在天然氣管道中安裝2個(gè)能發(fā)送和接收超聲脈沖的傳感器形成聲道。2個(gè)傳感器輪流發(fā)射和接收脈沖,超聲脈沖相對(duì)于天然氣以聲速傳播。沿聲道順流傳播的超聲脈沖的速度因被測(cè)天然氣流速在聲道上的投影(與其方向相同)而增加,而沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的速度因被測(cè)天然氣流速在聲道上的投影(與之方向相反)而減少。這樣就得到超聲脈沖在順流和逆流方向上的傳播時(shí)間:
式中 t1———沿聲道順流傳播的超聲脈沖的傳播時(shí)間, s
t2———沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的傳播時(shí)間, s
l———聲道長(zhǎng)度,m
c———被測(cè)介質(zhì)中超聲脈沖的聲速,m/s
vm———被測(cè)介質(zhì)的流速,m/s
φ———被測(cè)介質(zhì)流動(dòng)方向與聲道之間的夾角, rad
由式(1)、(2),可以推導(dǎo)出被測(cè)介質(zhì)流速的計(jì)算式:
由式(3),被測(cè)介質(zhì)中的聲速在式(3)中被消去,說(shuō)明被測(cè)介質(zhì)的流速與被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。
1.2 特點(diǎn)
① 天然氣超聲波流量計(jì)適用于高壓、大口徑、大流量的工況,但對(duì)小流量、尤其是拐點(diǎn)流量(*大流量的10% )以下的流量段應(yīng)慎用。
② 天然氣超聲波流量計(jì)不受氣體流向的影響,能以相同的準(zhǔn)確度進(jìn)行雙向流量計(jì)量,無(wú)壓力損失,無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件,無(wú)過(guò)載被損壞的危險(xiǎn),維修量小,自動(dòng)化程度高。
③ 對(duì)同一廠家生產(chǎn)的天然氣超聲波流量計(jì),聲道越多,計(jì)量精度越高,性能越可靠。如果其中1條聲道出現(xiàn)故障,流量計(jì)會(huì)繼續(xù)用其他聲道測(cè)量,并替換掉故障通道的測(cè)量數(shù)據(jù)。報(bào)警器將對(duì)故障情況發(fā)出報(bào)警,但流量計(jì)仍可準(zhǔn)確運(yùn)行。
④ 大口徑、多聲道的天然氣超聲波流量計(jì)計(jì)量精度高(±0. 5% ),量程比寬,抗*力較強(qiáng)。
⑤ 對(duì)于上游無(wú)整流器的多聲道天然氣超聲波流量計(jì),它的上游需長(zhǎng)10倍管徑的直管段,下游需長(zhǎng)5倍管徑的直管段。
⑥ 天然氣超聲波流量計(jì)的儀表系數(shù)可根據(jù)管道及聲道等的幾何尺寸計(jì)算求得,即可采用干式檢定。
2 檢定
根據(jù)規(guī)定,用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量量器屬于強(qiáng)制檢定范疇,必須進(jìn)行周期檢定,執(zhí)行國(guó)家有關(guān)的計(jì)量檢定規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于無(wú)須強(qiáng)制檢定的天然氣超聲波流量計(jì),也可采用干式檢定,若在供貨合同中無(wú)實(shí)流校準(zhǔn)的要求,天然氣超聲波流量計(jì)出廠時(shí)廠家一般只作干式檢定。
2.1 干式檢定
流量計(jì)的干式檢定并不是校準(zhǔn),因?yàn)檫@種方法不是根據(jù)與某一標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn)相比來(lái)檢查測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行必要的調(diào)整,所以用“檢定”一詞較為恰當(dāng)。管道及聲道的幾何尺寸可以準(zhǔn)確測(cè)定,利用電子線路和高質(zhì)量的石英晶體振蕩器,可以以*的精度與穩(wěn)定性進(jìn)行時(shí)間的測(cè)量,但干式檢定要成為*的標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)行大量研究驗(yàn)證。干式檢定方法主要包括以下步驟。
① 流量計(jì)幾何尺寸的測(cè)量
為保證流量計(jì)的精度,聲道長(zhǎng)度l和聲道與被測(cè)介質(zhì)流速的夾角φ是非常重要的基本參數(shù),采用高性能的設(shè)備**控制測(cè)量公差,可以改善精度。
② 電子線路與傳感器性能測(cè)試
一方面檢測(cè)其性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定要求,另一方面復(fù)核其性能指標(biāo)穩(wěn)定性,即電子部分的穩(wěn)定度是否滿(mǎn)足要求。
③ 零流量檢查
在流量計(jì)兩端連接盲法蘭,測(cè)量管內(nèi)不會(huì)有任何氣體流動(dòng),而且所有聲道上測(cè)得的氣速都應(yīng)為0。只要流量計(jì)被隔離,這一測(cè)試即可在實(shí)際管道中進(jìn)行。但是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),隔離法的性能并不總是很好,即使很小的泄漏量也能產(chǎn)生雖小但可測(cè)量的氣體流量。如果進(jìn)行在線測(cè)試,一定要特別注意避免上述因素引起的誤導(dǎo),還有因溫度梯度引起的流體對(duì)流也很容易被誤認(rèn)為是氣體流動(dòng)。
④ 聲速檢查
聲速檢查既可作為功能測(cè)試,也可作為校驗(yàn)的一項(xiàng)內(nèi)容。當(dāng)想要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流檢定時(shí),只需進(jìn)行功能測(cè)試,用壓縮空氣或n2就可完成。當(dāng)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),需要用已知組成的氣體對(duì)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試,一般選擇n2。為了對(duì)現(xiàn)有壓力和溫度下期望得到的聲速進(jìn)行**的計(jì)算,還需安裝**的溫度和壓力測(cè)量裝置,需注意達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要有足夠的時(shí)間。觀察到的聲速與聲速的期望值的比較結(jié)果,會(huì)暴露聲道長(zhǎng)度的某種誤差。單聲道測(cè)得的聲速可能略有差異,但其平均值將非常接近期望值。一般情況下,測(cè)量值與期望值之間的差異接近0. 1%。這一測(cè)試也可以在實(shí)際管道中進(jìn)行,關(guān)鍵的是要知道測(cè)試時(shí)氣體的**組成,同時(shí)還必須進(jìn)行**的溫度和壓力測(cè)量。
2.2 實(shí)流校準(zhǔn)
實(shí)流校準(zhǔn)是將超聲波流量計(jì)與一個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,以此判斷流量計(jì)的準(zhǔn)確度。與流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)裝置及其輔助測(cè)量?jī)x表都應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)流校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少因超聲波流量計(jì)聲道長(zhǎng)度、聲道角度、管內(nèi)徑和聲道位置等誤差所造成的流量測(cè)量誤差。超聲波流量計(jì)的用戶(hù)能得到詳細(xì)說(shuō)明流量計(jì)準(zhǔn)確度的計(jì)量合格證書(shū),同時(shí)能對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行調(diào)整,減少其相對(duì)于檢定裝置的校準(zhǔn)測(cè)量誤差或偏差。
用超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量時(shí),氣體壓力和溫度變化都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。從目前歐美國(guó)家所做研究試驗(yàn)來(lái)看,在1. 4~6. 9mpa的試驗(yàn)范圍內(nèi),*不利的情況是壓力每變化0. 7mpa,流量計(jì)的準(zhǔn)確度相差0. 1%。對(duì)dn 200 mm和dn 300mm的流量計(jì),壓力每變化4. 5mpa,準(zhǔn)確度相差0. 4%,溫度每變化16. 7℃,準(zhǔn)確度相差0. 1%。因此,為保證氣體超聲波流量計(jì)的性能,必須在接近實(shí)際運(yùn)行工況條件下對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)。
根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)gb/t 18604—2001《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》附錄a出廠測(cè)試要求,超聲波流量計(jì)出廠必須做幾何尺寸測(cè)量和零流量檢驗(yàn)測(cè)試,而對(duì)于實(shí)流標(biāo)定則規(guī)定,為減少流量計(jì)的測(cè)量誤差,出廠前可進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)[1]。另根據(jù)《中華人民共和國(guó)進(jìn)口計(jì)量器具監(jiān)督管理辦法實(shí)施細(xì)則》,列入《中華人民共和國(guó)依法管理的計(jì)量器具目錄》的進(jìn)口計(jì)量器具,在銷(xiāo)售之前必須經(jīng)省級(jí)政府計(jì)量行政部門(mén)檢定。當(dāng)?shù)夭荒軝z定的,向計(jì)量行政部門(mén)申請(qǐng)檢定。未經(jīng)檢定合格的,不得銷(xiāo)售。根據(jù)此規(guī)定,進(jìn)口流量計(jì)在銷(xiāo)售之前均必須進(jìn)行檢定。
目前國(guó)內(nèi)使用的超聲波流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定,是在美國(guó)進(jìn)行的,檢定費(fèi)用另外計(jì)算。對(duì)下游用氣城市,凡是合同中未明確要求實(shí)流標(biāo)定的,供貨商均未提供此項(xiàng)服務(wù),如要求標(biāo)定,費(fèi)用另行結(jié)算。供貨商提供的交貨資料只提供出廠測(cè)試報(bào)告,而沒(méi)有國(guó)家計(jì)量檢定部門(mén)出具的檢定報(bào)告。超聲波流量計(jì)出廠做干式檢定,精度小于0. 5%則合格。實(shí)流標(biāo)定是用于貿(mào)易結(jié)算計(jì)量的流量計(jì)必須做的,我國(guó)主要天然氣流量計(jì)量站的檢測(cè)能力見(jiàn)表1。
3 結(jié)語(yǔ)
天然氣超聲波流量計(jì)與目前廣泛使用的孔板流量計(jì)相比,有很多優(yōu)點(diǎn),如系統(tǒng)基本投入較低、雙向測(cè)量、大量程比、無(wú)壓損、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件和高精度等?？装辶髁坑?jì)已使用多年,具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、使用簡(jiǎn)單可靠、一般無(wú)特殊要求時(shí)無(wú)須標(biāo)定等特點(diǎn),可與超聲波流量計(jì)互補(bǔ)使用。隨著我國(guó)各項(xiàng)法律、法規(guī)的制定和完善,特別是標(biāo)定內(nèi)容和時(shí)間的明確,隨著我國(guó)天然氣的進(jìn)一步發(fā)展,超聲波流量計(jì)在天然氣領(lǐng)域中的應(yīng)用前景看好。