應(yīng)用聲速核查延長超聲波流量計標定

孫 婧，王春升，任天翼，尚 超, 張 穎, 晏莉筠

(1. 中海石油研究總院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，天然氣的需求量愈來愈大，天然氣貿(mào)易交接計量的重要性也日益突出[1]。超聲波流量計以其量程大、精度高、重復(fù)性好、壓損小、無可動部件、使用壽命長等優(yōu)點，已成為天然氣貿(mào)易交接中的主流計量器具。尤其是在大口徑、大流量、高壓力的天然氣外輸計量中，氣體超聲波流量計的優(yōu)勢尤為明顯。

在超聲波流量計廣泛應(yīng)用于天然氣貿(mào)易交接計量的同時，也存在著一些問題。依照相關(guān)標準的要求，貿(mào)易交接計量器具必須定期依法進行鑒定、監(jiān)督和管理。而在海洋平臺上，天然氣外輸計量系統(tǒng)沒有在線標定的系統(tǒng)及相關(guān)裝置，無法在現(xiàn)場進行相關(guān)標定。這就意味著，必須將超聲波流量計進行拆除并送至陸地標定站進行標定，大量消耗人力、物力、財力，并影響正常生產(chǎn)運行。JJG 1030—2007[2]規(guī)定：如果超聲波流量計具有自診斷功能且使用中檢驗合格，其檢定周期可由2年延長到6年。這將大大降低超聲波流量計檢定的復(fù)雜性。

本文將以美國氣體工業(yè)聯(lián)合會(AGA)標準AGA Report No.10—2003[3]和JJG 1030—2007[2]中的相關(guān)要求為依據(jù)，介紹聲速核查功能在延長超聲波檢定周期中的應(yīng)用，并以PY34-1項目天然氣外輸計量系統(tǒng)為例，介紹這種應(yīng)用在海上平臺實施的可行性。

1 天然氣計量系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 天然氣計量系統(tǒng)的流量計選型

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，已經(jīng)越來越多地被人們所利用。隨著使用的日益廣泛，其計量問題也越來越受到人們的重視。對于天然氣的貿(mào)易計量，目前主要可以使用的流量計有渦輪流量計、孔板流量計、腰輪流量計、質(zhì)量流量計和超聲波流量計[3]。

氣體超聲波流量計是一種速度式流量計，其在天然氣計量中的應(yīng)用很廣泛。在各種超聲波流量計中，多聲道式氣體超聲波流量計的優(yōu)勢最明顯，其測量的準確度可以達到0.5%，量程范圍寬，通?？梢赃_到100∶1以上，可以在相同的準確度下實現(xiàn)雙向測量，可以測量脈動流。該流量計無內(nèi)阻流件，無可動部件，后期維修工作量小，零壓損，對管路的特性無干擾，屬于節(jié)能型儀表。超聲波流量計的這些優(yōu)勢在大口徑、大流量、高壓力的天然氣計量中尤為明顯。

1.2 流量計的標定

天然氣的計量系統(tǒng)沒有在線標定裝置，不能完成流量計的現(xiàn)場標定工作。依照國家相關(guān)標準及計量檢定規(guī)程中的要求，流量計需要定期進行檢定。表1為相關(guān)標準對流量計標定周期的要求。

表1 流量計標準及檢定周期要求

由于空間和成本的因素，海上油氣生產(chǎn)設(shè)施通常布局緊湊，流量計的拆除及搬運比較困難。將流量計送至陸地標定部門進行標定，還要安排運輸船及車輛負責運送流量計至檢定部門，費時費力。國內(nèi)能夠滿足大流量、大口徑、高壓力工況的標定站僅有大慶(標定車)、南京(中石油)、華陽(中石油)等幾家。標定流量計還需提前預(yù)約及排隊，并且標定費用昂貴(單臺每次標定費用大約為50 000元人民幣)。如果檢定周期較短，將大大降低流量計可用性，增加使用成本。

2 超聲流量計標定方法及要求

2.1 超聲流量計的測量原理

時差法超聲流量計是利用超聲波在氣體中沿順流傳播和沿逆流傳播的時間差與氣體流速成正比這一原理來測量氣體流量的[8-9]。其工作原理如圖1所示。

圖1 時差式氣體超聲流量計工作原理Fig.1 Principle of time-different-type gas ultrasonic flowmeter

氣體超聲流量計的換能器A和B裝在管道兩側(cè)，超聲波的聲程長度為L，超聲波傳播的方向與流體在管道中的流動方向夾角為θ，超聲波在流體中的順流傳播時間為tD，逆流傳播時間為tV，

(1)

(2)

式中:c為超聲波在靜止流體中的聲速；V為流體介質(zhì)的流動速度。

由式(1)和式(2)可得

(3)

式中：X為換能器A和換能器B在水平方向上的距離。

從式(3)可以看出，氣體的流速測量與介質(zhì)的聲速無關(guān)，只與長度和時間兩個參數(shù)有關(guān)。

2.2 超聲流量計的標定及檢驗

對于超聲流量計的標定，目前國內(nèi)是按照JJG 1030—2007[2]執(zhí)行的。對于流量計來講，分為型式評價、首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗。

對于某準確度等級，流量計在qt≤q≤qmax的流量范圍內(nèi)，其最大允許誤差應(yīng)符合表2的規(guī)定在qmin≤q≤qt的流量范圍內(nèi)，最大允許誤差不超過表2規(guī)定的最大允許誤差的2倍，qt對應(yīng)的流速應(yīng)不大于3 m/s。流量計的重復(fù)性不得超過相應(yīng)準確度等級規(guī)定的最大允許誤差絕對值的1/5。

表2 超聲流量計準確度等級及最大誤差要求

對于工作壓力在0.4 MPa及以上的流量計，管道內(nèi)氣體的壓力不低于0.1 MPa，并盡量使其與實際使用條件一致。在檢定過程中流量計應(yīng)在可以達到的最大檢定流量的70%～100%范圍內(nèi)運行，并運行至少5 min，待流體溫度、壓力和流量穩(wěn)定后方可進行正式檢定。

對于檢定合格的流量計發(fā)給檢定證書，對于使用中檢驗的流量計發(fā)給檢驗報告。對于流量計的檢定周期一般不超過2年。

3 利用聲速核查功能延長流量計標定

在JJG 1030—2007[2]中有相關(guān)描述，“對于插入式流量計，如流量計具有自診斷功能，且能夠保留報警記錄，也可每6年檢定一次并在每年使用中現(xiàn)場進行使用中檢驗。該標準的《附錄C使用中檢驗》中指出，對超聲流量計使用中檢驗包括以聲速比較為基礎(chǔ)對流量計的在線檢驗方法，使用的標準器設(shè)備包括聲速測量標準器、溫度計、壓力表和計算軟件。通過在線測量溫度，利用推導(dǎo)出的數(shù)學方程式，由溫度計算出聲速，與流量計顯示的聲速比較，可以驗證流量計工作的狀態(tài)是否正常。

3.1 聲速核查的原理

聲速核查的理論依據(jù)比較成熟。AGA Report No.8—1994[10]提出AGA8-92DC計算方法：管輸天然氣的容量性質(zhì)可由組成來表征和計算。將天然氣組分、壓力和溫度用作計算的輸入數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的方程可以計算出管道天然氣的壓縮因子。計算出壓縮因子之后通過AGA Report No. 10—2003[3]提出的天然氣聲速計算方程，便可精確計算出超聲波在天然氣中的傳播速度，并參照超聲流量計檢定規(guī)程，首先對流量計狀態(tài)進行檢驗，確認無誤后，用此理論聲速與超聲流量計實測得的聲速進行對比實現(xiàn)檢驗。

聲速的基本關(guān)系式可以表示為[11]

(4)

式中：Cv和Cp是定容和定壓條件下的氣體熱容；Mr為天然氣摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；T為工況溫度；ρm為氣體摩爾密度；Z為天然氣壓縮因子。Cv和Cp的計算關(guān)系式如下：

(5)

(6)

3.2 聲速檢驗的操作方案

聲速檢查之前，首先應(yīng)對被檢流量計和其配套使用的測量設(shè)備進行檢查，包括溫度變送器、壓力變送器、色譜分析儀、流量計算機及超聲流量計本身。

在實際實施聲速檢驗工作中，配合檢定機構(gòu)使用專有軟件與流量計算機及流量計通信，獲得實時工況溫度、壓力、組分及超聲流量計實際內(nèi)部計量參數(shù)，通過檢查這五種設(shè)備的工作狀態(tài)來判斷是否計量設(shè)備乃至于整個計量系統(tǒng)是否工作正常。

當上述檢查工作均滿足要求，并且確認所有儀表處于正常工作狀態(tài)后，可以進行在線聲速檢驗工作。具體方法如下。

(1) 使用專有軟件與流量計算機建立通信，進入流量計算機自診斷功能模塊，提取當前流量計量系統(tǒng)中“某一時刻”的實時溫度、壓力、組分、流體流速、聲速等在線聲速檢驗所需參數(shù)。

(2)使用專有診斷軟件與流量計建立通信，使用軟件中自診斷功能收集流量計所有當前運行參數(shù)，包括上述用于狀態(tài)檢查的參數(shù)及用于聲速檢驗的參數(shù)等。

(3)將從流量計算機中提取出來的實時數(shù)據(jù)輸入到AGA Report No. 10—2003[3]相應(yīng)方程中，計算出當前工況條件下的理論聲速。

(4)依據(jù)JJG 1030—2007附錄C中“流量計每個聲道的聲速值的偏差及總的聲速值與計算的聲速值的偏差應(yīng)不大于流量計說明書的規(guī)定值”的要求[2]及被檢流量計制造商關(guān)于流量計的技術(shù)規(guī)格對流量計進行在線聲速檢驗。

(5)對于流量計：每個聲道的聲速與流量計平均聲速差值最大不超過流量計最大允許誤差的1/3，流量計平均測量聲速值與理論聲速值之間的偏差應(yīng)小于流量計允許誤差的1/2。

如果檢驗結(jié)果合格，則判定流量計可以繼續(xù)使用。如果不合格，應(yīng)提醒用戶，對流量計進行相應(yīng)的維護工作，從而保證流量計能夠準確計量。

4 聲速核查功能應(yīng)用實例

超聲波流量計聲速核查的相關(guān)國際標準AGA Report No. 10發(fā)布于2003年，而國內(nèi)的相關(guān)標準JJG 1030發(fā)布于2007年。聲速核查的功能目前在陸地天然氣計量的項目中已經(jīng)有一定的應(yīng)用，目前所了解到的西氣東輸項目、上海城市管網(wǎng)、中亞管道霍爾果斯站、福建液化天然氣(LNG)項目等，都已成功地應(yīng)用該功能延長了流量計的標定周期。超聲流量計的聲速核查功能在海上油氣生產(chǎn)設(shè)施中應(yīng)用較晚，并且數(shù)量較少。中海油某氣田項目是第一個將該功能應(yīng)用在自營氣田天然氣計量系統(tǒng)上，用以延長流量計標定周期的項目。

該項目的天然氣外輸計量系統(tǒng)由2臺口徑為10英寸(1英寸=2.54 cm)，計量能力為100%×2的體超聲波流量計組成，系統(tǒng)壓力等級為900磅力(1磅=453.6 g)，最大工作壓力12 500 kPa(表壓)，最大流量為253 000 Sm3/h(1 Sm3/h即20℃，1個標準大氣壓下1 m3/h)天然氣計量系統(tǒng)PID圖如圖2所示。

圖2 某項目天然氣計量系統(tǒng)PIDFig.2 PID diagram of natural gas metering system of a project

系統(tǒng)配置了2臺流量計算機、溫度及壓力變送器、1臺烴水露點儀、1臺氣相色譜分析儀。流量計所測量的流量信號以脈沖信號進入流量計算機，同樣現(xiàn)場的溫度壓力信號也接入流量計算機進行補償計算，流量計算機將相關(guān)流量信息及診斷信息的參數(shù)通過以太網(wǎng)送至計量系統(tǒng)操作站，并由專用軟件完成數(shù)據(jù)記錄管理等工作。色譜分析儀的信號，一路送至流量計算機，一路送至計量系統(tǒng)操作站，用以完成相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄及計算。

通過專用的管理及監(jiān)控軟件，系統(tǒng)可以提供以下診斷數(shù)據(jù)：(1)被檢流量計每個聲道的瞬時聲速值；(2)取樣時間內(nèi)每個聲道的平均聲速值；(3)被檢流量計在取樣時間內(nèi)的總平均聲速值；(4)順流及逆流的傳輸時間；(5)被檢流量計每一聲道的流速值；(6)通過流量計的平均軸向流速；(7)取樣氣體的體積分數(shù)；(8)取樣時間內(nèi)管道內(nèi)溫度、壓力信號的平均值。

在該項目超聲波流量計的聲速核查過程中，在流量計測量流量點下，各聲道測得的管道內(nèi)流速在正常測量范圍內(nèi)。聲速測量檢查結(jié)果如表3所示。

表3 某項目聲速核查結(jié)果

從在線檢驗的結(jié)果可以看出，該流量計聲速測量值和計算理論測量值的偏差小于0.1%，而該流量計規(guī)定的最大允許偏差為0.2%，滿足JJG 1030—2007[2]中“對于被檢流量計，每個聲道的聲速值的偏差及總的聲速值與計算的聲速值偏差不大于流量計說明書的規(guī)定值”的要求。

應(yīng)用該套系統(tǒng)，可以最大程度地節(jié)省流量計標定所需的拆裝及運輸所需的人力及經(jīng)費，提高了系統(tǒng)的可用性，降低了使用成本。目前該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，一切工作正常。

5 結(jié) 語

對于大口徑、大流量、高壓力天然氣外輸計量來說，應(yīng)用超聲波流量計已經(jīng)逐漸成為一種主流的發(fā)展趨勢。超聲波流量計在該工況的優(yōu)勢相較其他流量計尤為明顯，且在運用聲速核查功能以后能夠延長流量計的標定周期。在以后的設(shè)計中，相信聲速核查功能將使超聲波流量計愈發(fā)廣泛地應(yīng)用于海上平臺的天然氣外輸計量，并且成為外輸計量系統(tǒng)的固定配置。

[1] 蘇亦儒.天然氣聲速計算方法及其在超聲流量計的應(yīng)用[J]. 科技信息，2013(6)：507.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG 1030—2007. 超聲流量計檢定規(guī)程[S]. 2007.

[3] American Gas Association. AGA Report No. 10—2003. Speed of sound in natural gas and other related hydrocarbon gases[S]. 2003.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG 633—2005. 氣體容積式流量計檢定規(guī)程[S]. 2005.

[5] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG 1037—2008. 渦輪流量計檢定規(guī)程[S]. 2008.

[6] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG 1038—2008. 科里奧利質(zhì)量流量計檢定規(guī)程[S]. 2008.

[7] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG 640—1994. 差壓式流量計檢定規(guī)程[S]. 1994.

[8] 王江景.天然氣流量計量技術(shù)的發(fā)展[J]. 中國計量，2006(z1):9.

[9] 張濤，蒲誠，趙宇洋.傳播時間法超聲流量計信號處理技術(shù)進展述評[J]. 化工自動化及儀表，2009，36(4):1.

[10] American Gas Association. AGA Report No.8—1994. Compressibility factor of natural gas and related hydrocarbon gases [S].1994.

[11] 呂幾凡，程佳，李東升，等.管道天然氣超聲流量計在線檢驗系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(8):104.