影響超聲波流量計計量準(zhǔn)確性的因素與對策

2017-06-23 13:04:45聶文

石油化工自動化 2017年2期

聶文

(中石化天然氣有限公司榆濟(jì)管道分公司，山東濟(jì)南 250000)

影響超聲波流量計計量準(zhǔn)確性的因素與對策

聶文

(中石化天然氣有限公司榆濟(jì)管道分公司，山東濟(jì)南 250000)

超聲波流量計作為天然氣計量領(lǐng)域的常用計量器具，其計量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著管輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。從超聲波流量計工作原理和現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境、條件出發(fā)，對其影響因素進(jìn)行了分類研究，并確定了主要因素，根據(jù)影響因素的特點分析探討了改善其計量性能相應(yīng)的對策，以保證超聲波流量計的計量準(zhǔn)確性，使超聲波流量計在現(xiàn)場得到更好的應(yīng)用。

超聲波流量計計量準(zhǔn)確性因素對策

天然氣長輸管道具有運行壓力高、輸氣量大、輸送距離長的特點，在天然氣貿(mào)易交接方面對流量計的準(zhǔn)確性要求較高。氣體超聲波流量計具有量程比寬、壓力損失小、無可動部件、適用于大口徑管道等特點，較好地滿足了天然氣長輸管道的計量需求，在中國天然氣長輸管道領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超聲波流量計量系統(tǒng)與其他計量儀表一樣，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中會受到各種因素的干擾，因而影響儀表計量的準(zhǔn)確性。

1 超聲波流量計工作原理

超聲波流量計為獨立測量設(shè)備，由多個位于管線內(nèi)壁的超聲傳感器組成。傳感器由緊固機(jī)械裝置插入管道中，超聲脈沖被2個傳感器交替地發(fā)射和接收。由于超聲波在逆流和順流情況下的傳輸時間tu和td不同，通過時差法可以計算得到流體流速，工作原理如圖1所示。超聲波流量計還可以配置成雙向計量模式，精度不變。

圖1 超聲波流量計工作原理示意

當(dāng)順流傳播時，超聲波傳輸時間為

td=L/(C+vcosφ)

(1)

當(dāng)逆流傳播時，超聲波傳輸時間為

tu=L/(C-vcosφ)

(2)

由式(1)，(2)聯(lián)立推導(dǎo)出流體流速和流量的計算公式如下：

(3)

qV=vA

(4)

式中：C——超聲波在靜態(tài)氣體中的聲速，340m/s;qV——流體在管道中的工況流量，m3/h；A——管道橫截面積， m2；v——氣體的流速，m/s。

標(biāo)準(zhǔn)狀況下瞬時流量為

(5)

式中：qVn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下瞬時流量，m3/h;qVf——工作狀況下瞬時流量，m3/h;pn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下絕對壓力，MPa，其值為0.101 325 MPa；pf——工作狀況下絕對壓力，MPa；Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀況下熱力學(xué)溫度，K，其值為293.15 K；Tf——工作條件下熱力學(xué)溫度，K；Zn——標(biāo)準(zhǔn)條件下壓縮系數(shù)；Zf——工作條件下壓縮系數(shù)。

2 天然氣超聲波計量系統(tǒng)的組成

氣體超聲波流量計量系統(tǒng)一般由壓力變送器、溫度變送器、超聲波流量計、氣體組分分析儀以及流量計算機(jī)等五部分組成。壓力、溫度變送器采集實時的壓力、溫度信號，超聲波流量計本體是整個計量系統(tǒng)的核心部分，通過測量計算天然氣的流速進(jìn)而得到天然氣的工況流量，氣體組分分析儀通過分析氣體的組分以確定天然氣的壓縮因子，流量計算機(jī)將采集到的壓力、溫度、工況流量、氣體組分信息進(jìn)行運算分析，得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體流量，并保存相應(yīng)的流量歷史數(shù)據(jù)。

3 影響超聲波流量計量準(zhǔn)確性的主要因素

超聲波流量計量系統(tǒng)計量的準(zhǔn)確性既與超聲波流量計本體有關(guān)，也和壓力、溫度測量儀表、色譜分析儀以及流量計算機(jī)等設(shè)備的可靠性有直接關(guān)系。此外，在員工操作、環(huán)境影響、設(shè)計選型、設(shè)備安裝等方面也會一定程度影響超聲波流量計量的準(zhǔn)確性，其影響因素復(fù)雜多樣。超聲波計量系統(tǒng)計量準(zhǔn)確性影響因素關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，對超聲波流量計量準(zhǔn)確性造成較大影響的主要是噪音、天然氣雜質(zhì)、氣體組分分析以及壓力、溫度測量這四個方面。

圖2 超聲波計量系統(tǒng)計量準(zhǔn)確性影響因素關(guān)聯(lián)示意

3.1 噪音

天然氣輸氣站場中由于氣流速度快，彎頭、閥門等各類阻流管件的存在，會產(chǎn)生一定的噪聲，在計量裝置設(shè)計和安裝的時候已經(jīng)充分考慮。但是現(xiàn)場因為工況條件的變化，如流量、壓力和溫度等，壓縮機(jī)不同功率下的噪聲震動等不能預(yù)見的各類因素產(chǎn)生的噪聲仍然使超聲波流量計在現(xiàn)場使用過程中受到噪聲的影響。超聲波流量計對降壓元件產(chǎn)生的噪聲尤其敏感，甚至有些低噪聲閥門比調(diào)壓閥對超聲波流量計產(chǎn)生的影響還要大，這是因為采用了低噪聲技術(shù)的閥門將噪音頻率調(diào)整至人耳聽力不敏感的高頻范圍(20 kHz)以上，該頻率范圍恰好與超聲波流量計超聲頻率重合，對超聲波流量計造成較大影響。

3.2 天然氣雜質(zhì)

天然氣流過超聲波流量計時，水、硫化鐵粉末等雜質(zhì)逐漸堆積在流量計表體管道內(nèi)或超聲波探頭上，都會影響超聲波流量計的準(zhǔn)確度，附著在超聲波探頭表面的雜質(zhì)縮短了超聲波在管道內(nèi)的傳輸時間，影響了超聲波探頭的敏感性，同時由于雜質(zhì)的附著，計量撬的上游直管段表面粗糙度變化或整流板堵塞引起氣體流態(tài)發(fā)生變化，從而影響流量計的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。實驗研究表明：臟污可對某些流量計流量輸出帶來0.3%或更大的偏差。

3.3 氣體組分

根據(jù)超聲波流量計量系統(tǒng)工況流量與標(biāo)況流量的轉(zhuǎn)換公式可知，在天然氣貿(mào)易計量中需要利用壓縮因子將天然氣的工況流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量，而工況下的壓縮因子則需利用氣體分析設(shè)備，如色譜分析儀等分析結(jié)果計算獲得。氣體組分檢測是否準(zhǔn)確及時，直接影響著超聲波計量系統(tǒng)的計量準(zhǔn)確性。在實際生產(chǎn)中，部分場站的氣體分析設(shè)備未接入流量計算機(jī)，失去了氣體分析設(shè)備的主要作用，同時在未配備氣體分析設(shè)備的場站也存在著氣體組分更新不及時現(xiàn)象，在多氣源的計量站，影響更為明顯。實驗研究發(fā)現(xiàn)：由于輸氣干線組分變化造成超聲流量計的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量偏差最高可達(dá)0.6%。

3.4 壓力和溫度的測量

根據(jù)超聲波流量計工作原理可知，壓力溫度測量是否準(zhǔn)確直接關(guān)系著標(biāo)況流量的運算是否準(zhǔn)確。在現(xiàn)實應(yīng)用中，雖然壓力變送器可在其銘牌標(biāo)明的工作溫度范圍內(nèi)正常工作，但室外裸露環(huán)境中的壓力測量值與進(jìn)行了防曬保護(hù)的壓力變送器測量值的差值可高達(dá)18～20 kPa。溫度變送器在現(xiàn)場應(yīng)用中也會出現(xiàn)保護(hù)套管中存在金屬雜質(zhì)、沙子等現(xiàn)象，使測溫元件不能及時與天然氣達(dá)到熱平衡，導(dǎo)致實測溫度值偏低，計量結(jié)果偏大。因此，保證壓力和溫度測量儀表的準(zhǔn)確、可靠是確保超聲波流量計計量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度非常重要的方面。

4 解決措施與對策

4.1 保證工藝安裝符合相應(yīng)技術(shù)要求

對于未建場站，應(yīng)充分考慮流量計前后直管段長度，評估調(diào)壓閥產(chǎn)生的噪聲對流量計的影響，謹(jǐn)慎選用“無噪”閥門和消聲器。對于已建場站，因流量變化導(dǎo)致調(diào)壓閥噪音變化的可考慮利用調(diào)壓閥前后的節(jié)流截止閥分級調(diào)壓，降低噪音頻率，或者改變噪音傳播通道，利用調(diào)壓計量間的匯管、彎頭等增加噪音損耗。條件允許時，可進(jìn)行工藝改造，在流量計前加裝流量調(diào)整器，將調(diào)壓閥調(diào)整至流量計后，以消除噪音影響。

4.2 加強(qiáng)超聲波流量計的檢測與維護(hù)

超聲波流量計具有自診斷功能，目前絕大部分超聲波流量計均配備有專業(yè)的診斷軟件，可對流量計的聲速、流速、信噪比、采樣率、增益值等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控分析。現(xiàn)場技術(shù)人員可利用專業(yè)診斷軟件定期對流量計進(jìn)行運行分析，判斷流量計工作狀態(tài)是否良好，掌握換能器臟污情況，制定換能器清洗周期，如流量計內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，應(yīng)及時重新進(jìn)行檢定。

4.3 及時更新氣體組分

在多氣源場站或者輸氣量較大的場站建議配備色譜分析儀等氣體分析設(shè)備，并將分析數(shù)據(jù)實時傳入流量計算機(jī)，以保證流量計算機(jī)所測組分為管道內(nèi)天然氣的實時數(shù)據(jù)，同時要加強(qiáng)色譜分析儀的維護(hù)，定期利用標(biāo)氣對在線色譜儀進(jìn)行標(biāo)定。對于未配備氣體分析設(shè)備的場站要根據(jù)離之最近場站的組分分析數(shù)據(jù)及時進(jìn)行更新，以最大程度保證其壓縮因子計算的準(zhǔn)確性。

4.4 保證壓力和溫度測量的準(zhǔn)確性

在超聲波流量計使用過程中，應(yīng)對壓力和溫度測量值進(jìn)行現(xiàn)場核查。可使用壓力、溫度變送器的手操器核查流量計算機(jī)內(nèi)的壓力、溫度變送器示值誤差是否符合精度等級的要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不滿足時應(yīng)及時更換或者及時送檢和校準(zhǔn)。同時，對于壓力變送器可設(shè)置遮陽棚，防止溫度變化對其零位的影響，對于溫度變送器應(yīng)定期添加導(dǎo)熱油，檢查保護(hù)套管內(nèi)是否有無雜質(zhì)，防止溫度傳輸?shù)倪t滯。

5 結(jié)束語

隨著天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，超聲波流量計在天然氣流量計量領(lǐng)域的應(yīng)用將會變得越來越廣泛，影響其計量準(zhǔn)確性的因素將會隨著超聲波流量計在不同條件下的應(yīng)用變得越來越復(fù)雜多樣，這就需要現(xiàn)場使用維護(hù)人員深入分析現(xiàn)場流量計的運行工況，不斷積累現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，科學(xué)制定相應(yīng)對策，只有這樣才會進(jìn)一步提高超聲波流量計的計量準(zhǔn)確性。

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