上游溫度套管對超聲流量計測量性能的影響及其對策

蔡浩暉

國家石油天然氣大流量計量站 烏魯木齊分站（新疆 昌吉831113）

超聲流量計無可動部件，具有壓力損失小、測量準確度較高、流量范圍寬等優點，無須進行工藝調整就可以完成雙向測量。因此，儲氣庫一般選用超聲流量計雙向計量天然氣流量[1-3]。為節省投資和方便管理，我國的儲氣庫進出庫天然氣計量一般都用同一套計量系統進行注入和采出雙向計量，一段時間正向運行，一段時間反向運行，正向運行和反向運行對超聲流量計計量系統而言，不同之處在于正向運行時溫度變送器在流量計的下游，反向運行時在流量計的上游，溫度變送器需要配溫度套管，GB∕T 18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》規定：“如果超聲流量計用于雙向計量，測溫孔應設在距流量計法蘭端面3～5D（D為管道內徑）之間。插入深度為1∕3D，對于大口徑流量計（DN300及以上），插入深度不超過125 mm”[4]。對于超聲流量計安裝條件而言，溫度套管相當于管道凸入物，會增加渦流、漩渦脫落等，引起管道內流場剖面發生變化，超聲流量計的測量性能對流場剖面很敏感。通過實際測量，發現上游溫度套管，對某些類型的超聲流量計的測量性能影響在0.5%左右，對準確度為1%的流量計而言，是不可忽略的，對于計量交接相關方是不可接受的，需要深入研究，探討對策。

1 上游溫度套管對超聲流量計的影響

不同的安裝條件會造成超聲流量計測量性能發生變化，國內外學者采用理論分析、數值仿真以及實流測試等方法對安裝條件帶來的影響進行了大量的研究，研究了超聲流量計聲道安裝位置、換能器安裝角度，超聲流量計對流體形態的適應性和非理想流暢對流量計測量性能的影響等[5-12]，以及管壁粗糙度對超聲流量計測量性能的影響[13]，但基本上沒有上游管道凸入物對超聲流量計測量性能影響的研究。JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規程》規定：“對于雙向測量的流量計，溫度測量位置應設在距離流量計至少5D處”[14]。與GB∕T 18604—2014相比，溫度測量位置要求離流量計更遠，以減小上游溫度套管對流量計測量性能的影響。ISO 17089-1—2010《封閉管道中的流體流量測量－氣體超聲流量計第一部分：用于貿易交接和分配計量的流量計》[15]采用1條管路安裝2臺流量計，溫度變送器安裝在中間，正反向計量分別有各自的主流量計，如圖1。這種方法可以有效避免上游溫度變送器對流量計測量性能的影響，是可以借鑒的，但這種方法增加了成本。AGA9號報告《利用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》建議：“在雙向流應用中，如果流動主要發生在一個方向上，那么建議在超聲流量計主方向的下游設置溫度測量裝置。無需在超聲流量計的上游安裝溫度測量裝置，用于反向流量測量?！睆娬{了主方向的計量，弱化了反向計量。

圖1 雙向計量超聲流量計安裝圖

高壓天然氣管道的溫度檢測一般采用與介質非接觸式，配套使用溫度保護套管。溫度保護套管相當于垂直于管道軸線的柱體，如圖2。

流體流過溫度套管相當于繞柱流動，繞過柱體的流速分布是一個冪級函數，在壁面處產生回流，柱體下游形成較寬的尾流，從而影響流場[16]。，管道中的高壓天然氣流過插入管道中的溫度保護套管時，會在套管后部產生漩渦，漩渦沿套管兩邊以交替脫落，交替脫落的漩渦直接對套管產生橫向力，此時套管被迫以斯特勞哈爾（Strouhal）頻率振動。這是溫度保護套管產生振動并斷裂的主要原因，也是流場剖面發生變化的主要原因，如圖3和圖4。從圖4的仿真結果可以看出套管附近流速明顯增大。

圖2 溫度套管示意圖

圖3 溫度套管下游大卡門渦流圖

圖4 套管附近流速分布

超聲流量計是通過測量固定位置上各聲道的流速，再通過各自特定的加權計算得到平均流速，乘以超聲流量計截面積得到平均流量，管道內流體狀態分布的不同，必然會影響超聲流量計各聲道流速的測量，進而可能影響平均流量。目前常見的有3種類型的超聲流量計，按聲道布置方式，分為反射式、四聲道對射式、六聲道對射式，均為多聲道超聲波氣體流量計。不同類型流量計的聲道位置不同、聲道流速不同，受上游溫度套管的影響也不同。

1.1 反射式超聲流量計

反射式流量計分為六聲道和四聲道反射式超聲流量計，其中六聲道布置如圖5所示。

其中第1、2、5、6路是雙反射聲道，其聲道流速加權系數均為0.212 5，第3、4路是單反射聲道，其聲道流速加權系數均為0.075。四聲道反射式超聲流量計沒有第5路和第6路雙反射聲道，第1、2聲道的流速加權系數均為0.425，第3、4路的聲道布置方式和聲道流速加權系數與四聲道超聲流量計一樣。

圖5 六聲道反射式超聲流量計布置形式

從圖5可以看出，4個雙反射聲道的流速合計權重為0.85，每個雙反射聲道中的3條折射聲道有2條受溫度套管引起的流場變化的影響，所以上游溫度套管對A類型流量計的測量性能影響最大。

1.2 四聲道對射式超聲流量計

四聲道對射式的超聲流量計聲道布置形式如圖6所示。

圖6 四聲道對射式超聲流量計布置形式

其中，B弦和C弦聲道立管中心較近，其流速加權系數均為0.361 8，A弦和D弦聲道離管中心較遠，其流速加權系數均為0.183 2。

從圖6可以看出，A弦在上游溫度套管流場變化范圍內，A聲道流速受影響大，其余聲道影響小，且A弦的流速加權系數為0.183 2，權重較低，故上游溫度套管流場變化對四聲道對射式的超聲流量計的測量性能影響最小。

1.3 六聲道對射式超聲流量計

六聲道對射式超聲流量計的6個聲道分3層布置，每層2個聲道，聲道布置形式如圖7所示。

其中，level1和level3聲道相對管中心對稱，這兩層的4個聲道的流速加權系數均為0.125。過中心線的level2的2個聲道的流速加權系數均為0.25。

從圖7可以看出，level1的2個聲道在上游溫度套管流場變化范圍內，level1聲道流速受影響大，其余聲道影響小，level1的2個聲道的流速合計權重為0.25，上游溫度套管流場變化對六聲道對射式的超聲流量計的測量性能影響介于上述兩種類型流量計之間。

圖7 六聲道對射式超生流量計布置形式

2 實測驗證

2.1 六聲道對射式DN300超聲流量計實測驗證

對1臺六聲道對射式DN300超聲流量計分別進行了溫度套管安裝在流量計上游和下游的實測，溫度套管安裝在流量計距離5D處，測試結果見表1。

表1 六聲道對射式DN300超聲流量計測試結果

由表1可知，當流量計上游安裝溫度套管，流量計計量結果相比溫度套管安裝在下游偏大0.5%左右，對計量結果影響較大。

流量計上游5D處增加溫度套管后，流場發生了較大變化，相比流量計上游沒有溫度套管的情況，邊聲道5、6的流速變化較小，中心聲道3、4的流速變小0.4%左右，邊聲道1、2的流速變大2.8%左右，隨著流量的增大，流場變化趨向混亂。第3、4聲道流速權重系數均為0.25，對計量的影響量是-0.2%左右，1、2聲道流速權重系數均為0.125，對計量的影響量是0.7%左右，合計影響0.5%左右，詳見表2。從圖8可以直觀看到第1、2聲道溫度套管在上下游安裝條件下的變化。

表2 上游溫度套管對六聲道對射式DN300流量計的影響

圖8 溫度套管在上下游的聲道流速影響圖

2.2 四聲道對射式DN200超聲流量計實測驗證

對1臺四聲道對射式DN200超聲流量計分別進行了溫度套管安裝在流量計上游和下游的實測，溫度套管安裝在流量計上游12.5D處，測試結果見表3。

從表3可以看出，溫度套管安裝在上游時，靠近溫度套管的流量計邊聲道流速偏大2%以上，導致流量計整體誤差偏大0.2%以上，溫度套管安裝在流量計上游12.5D處，依然會對流量計測量性能造成不可忽視的影響。

表3 上游溫度套管對四聲道對射式DN200流量計的影響

對于雙向計量的超聲流量計，溫度套管安裝在上游5～12.5D時，會造成對射式多聲道超聲流量計的計量值偏大0.2%～0.5%（反射式超聲流量計還沒有實測驗證）。不滿足JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規程》[14]中“所用溫度計的測量誤差對檢定結果造成的影響應在流量計最大允許誤差的1∕5以內”的要求，建議溫度套管在上游時，對流量計進行校準，校準時的安裝條件需與現場使用安裝條件相似，以保證計量相關方的利益。有必要修訂GB∕T 18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》[4]中流量計雙向計量時的溫度套管安裝要求。

3 結論

1）上游溫度套管會造成管道內流體剖面發生變化，進而影響超聲流量計的測量性能。

2）溫度套管安裝在上游5～12.5D時，會造成對射式多聲道超聲流量計的計量值偏大0.2%～0.5%。

3）有必要修訂GB∕T 18604—2014中超聲流量計雙向計量時的溫度套管安裝要求。

4）建議參照ISO 17089-1—2010中的要求設計雙向計量超聲流量計。

5）建議以現場安裝條件相似的上游溫度套管安裝方式對流量計進行校準。