DN100氣體超聲流量計管道配置對計量性能影響研究

李仲 張藹倩 陳曉科 胡朝陽

1.中國石油浙江油田公司 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油天然氣集團公司天然氣質量控制和能量計量重點實驗室

近年來，氣體超聲流量計因其性能穩定、結構簡單、準確度高等特點得到廣泛使用[1-2]，其技術水平經過近一個世紀的發展逐漸成熟，相關國際和國家標準中對超聲流量計管道配置的要求也逐步發生變化。由于流量計安裝現場可能存在彎頭、三通、匯管等阻流件[3]，標準推薦的直管段長度在復雜工藝條件下的適用性則有待進一步研究。介紹了國內外不同時期超聲流量計標準中管道配置要求的變化情況，通過不同管道配置下DN100超聲流量計與標準裝置的測試實驗研究，得到管道配置對計量性能的影響程度。

1 國內外超聲流量計相關標準中管道配置要求的變化情況

在超聲流量計使用初期，GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》規定的上游直管段長度最短為10D，下游為5D[4]。經過一段時間的使用發現，超聲流量計對流態要求較高，而計量現場的復雜工藝管路構成會導致流態的變化[5]。因此，為了使流場在進入流量計前能夠充分發展，國際標準提高了配置直管段的要求，ISO 17089.1-2010《封閉管道中液體流量的測量. 氣體超聲流量計. 第1部分: 運輸監護和配置計量用儀表》規定：在相關廠家未提出直管段配置尺寸時并安裝了流動調整器的情況下，上游直管段長度最短為30D[6]。GB/T 18604也跟蹤了國際標準的變化，并及時進行了修訂[7]，修訂后的GB/T 18604-2014對上游最短直管段長度的要求也提高到了30D[8]。近年來，技術的進步提高了超聲流量計對流場變化的適應性，AGA Report NO.9-2017《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》在2017年修訂時認為，在安裝了流動調整器的情況下，上游最短直管段長度只需滿足20D[9]。以上國內外標準有關管道配置要求比較結果見表1。

表1 國內外標準中有關管道配置要求比較表技術要求ISO 17089.1-2010GB/T 18604-2014AGA Report NO.9-2017備注上游最短直管段①由制造廠提出;②當制造廠未提出時,不帶流動調整器50D;③當制造廠未提出時,帶流動調整器30D①由制造廠提出;②當制造廠未提出時,不帶流動調整器50D;③當制造廠未提出時,帶流動調整器30D,流動調整器安裝于10D處①由制造廠提出;②不帶整流器由制造商給出直管段長度;③帶流動調整器20D,流動調整器安裝于10D處有差異下游最短直管段①由制造廠提出;②當制造廠未提出時,3D①由制造廠提出;②當制造廠未提出時,5D①由制造廠提出;②當制造廠未提出時,大于5D有差異

通過對超聲流量計測量天然氣流量的國際標準及國家標準的對比分析可以得到：國家標準與國際標準的主要技術內容是基本一致的，均明確了應首先由相關制造商提出上、下游直管段配置，但在相關制造商未提出直管段配置建議時，不同標準推薦的上游最短直管段長度有一定差異：安裝流動調整器后， GB/T 18604-2014建議上游直管段最短為30D， AGA Report NO.9-2017建議上游直管段最短為20D。3個標準均提到了速度曲線畸變對流量計可能造成的影響，并且部分流量計由于設計上考慮了這種因素，則不需要進行流場調節，但對于上游阻流件、閥門和直管長度的不同組合對計量準確度的影響程度并沒有進行說明，對于流動調整器的流態調整效果也沒有具體描述。

2 不同管道配置下超聲流量計與標準裝置的比對實驗

GB/T 18604-2014提高了對上游直管段長度的要求，由于工程建設時間及設計初始要求各不相同等原因，國內使用超聲流量計的部分貿易交接現場沒有達到上述一般性要求。為消除計量不準帶來的隱患，確保交接計量的準確可靠，開展了不同管道配置對超聲流量計的計量性能影響實驗研究工作。

2.1 實驗裝置和對象

實驗裝置：國家石油天然氣大流量計量站成都分站渦輪標準表法氣體流量標準裝置(小流量區)，裝置采用的測試介質為天然氣，設計壓力為6.3 MPa，運行壓力為1.5～4.0 MPa，流量測試范圍為16～2 600 m3/h，體積流量測量不確定度為0.33%(k=2)。

實驗對象：市場占有率較高、技術相對成熟的4個不同國內外廠家的超聲流量計(以下分別命名為A、B、C、D)，規格尺寸為DN100。

2.2 實驗條件

實驗分為理想流態測試和復雜流態測試。理想流態測試是指安裝工藝條件較理想，在超聲流量計上游50D以內無彎頭、無過渡部件、無阻力件，流速分布均勻，上游直管段長度大于50D，同時在10D處加裝流動調整器進行測試，如圖1所示。

復雜流態測試是指在超聲流量計上游存在阻流件，如空間彎頭、匯管等，結合標準推薦的管道配置改變上游直管段長度，同時在10D處加裝流動調整器進行測試，如圖2所示。根據被測流量計的測量范圍，確定超聲流量計的實驗布點為Qmin、0.10Qmax、0.25Qmax、0.4Qmax、0.7Qmax、Qmax共6個流量點， 壓力(均為絕壓)2.9 MPa。理想流態時首先進行預測試，得到流量計的多點修正系數并進行修正和驗證，確保流量計在復雜流態測試前有相對良好的性能。另外，對加裝流動調整器和改變直管段內徑后流量計的計量性能進行了測試。

3 結果與討論

將不同管道配置下測得的流量數據進行比較，分析最大示值誤差的變化情況，獲得不同管道配置對流量計性能的影響。

3.1 流動調整器對計量性能的影響

流動調整器對計量性能的影響如圖3所示。由圖3可知，對于A超聲流量計而言，多點修正前線性不佳，修正后表現出良好的計量性能，相對示值誤差在±0.1%附近。當上游直管段縮短為30D，同時在10D處加裝流動調整器后的計量性能與理想狀態一致，示值誤差變化最大約0.1%，在標準裝置不確定度范圍內。

3.2 直管段內徑對計量性能的影響

直管段內徑對計量性能的影響如圖4所示。由圖4可知，對于D超聲流量計，當上游直管段內徑由97 mm變為100 mm時，內徑變化了3 mm，超出GB/T 18604-2014第8.2.3條規定的上、下游直管段內徑偏差應小于1%且不超過3 mm的要求，示值誤差出現0.5%的明顯正偏移。加裝流動調整器后，偏移量降低了0.2%。

3.3 匯管對計量性能的影響

匯管對計量性能的影響如圖5～圖7所示。在匯管的干擾下，對A、B、C 3種超聲流量計而言，上游直管段大于或等于20D，并在10D處安裝流動調整器時均對流量計的計量性能無明顯影響。繼續縮短直管段長度時：對于A超聲流量計，計量結果沒有明顯變化，示值誤差最大偏移量不超過0.2%；對于B超聲流量計，上游直管段縮短為16D時，在大流量下偏移量約0.39%；對于C超聲流量計，上游直管段縮短至14D時在小流量下對流量計有明顯影響，示值誤差的最大偏移量達到1.5%，遠遠大于標準裝置的不確定度。

3.4 空間彎頭對計量性能的影響

空間彎頭對計量性能的影響如圖8～圖10所示。在空間彎頭的干擾下，對A、B、C 3種超聲流量計而言，上游直管段大于或等于20D，并在10D處安裝流動調整器時均對流量計的計量性能無明顯影響，相對示值誤差的變化在標準裝置不確定度范圍內。繼續縮短直管段長度時：對于A超聲流量計，上游直管段10D+流動調整器的安裝方式會導致相對示值誤差整體向正偏移0.3%；對于B超聲流量計，上游直管段10D+流動調整器的安裝方式下，流量大于0.25Qmax時整體向負偏移0.1%，最小點流量向負偏移0.42%；對于C超聲流量計，計量結果沒有明顯變化，最小點由于超聲流量計的計量特性而表現出小幅波動。

3.5 小結

總的來說，直管段內徑與流量計不匹配會使流場發生變化，進而導致計量不準，流動調整器可以在一定程度上削弱非理想流場對流量計造成的影響。上游阻流件為空間彎頭或匯管時，直管段長度大于或等于20D且安裝流動調整器的管道配置可以保證超聲流量計的計量性能，低于該配置則可能影響流量計的計量準確度。從表2可以直觀地看到，不同流量計在不同阻流件下直管段長度對計量準確度的影響程度。

表2 不同安裝配置對計量準確度的影響程度超聲流量計聲道結構聲道布置阻流件情況上游直管段長度流動調整器配置情況相對示值誤差最大偏移量/%綜合分析A超聲流量計接觸式4聲道4個平行對射式聲道匯管空間彎頭30D20D15D30D20D10D有流動調整器0.00-0.100.100.000.180.30計量性能不變計量性能不變計量性能少許改變B超聲流量計 接觸式8聲道3對平面內交叉反射的X型聲道和兩個雙反射聲道匯管空間彎頭30D20D15D30D20D10D有流動調整器0.000.080.39(大流量)0.000.26(最小點)0.42(小流量)計量性能不變計量性能改變計量性能不變計量性能少許改變C超聲流量計接觸式4聲道兩對平面內平行反射聲道匯管空間彎頭30D20D15D30D20D10D有流動調整器0.000.161.500.000.150.12計量性能不變計量性能極大改變計量性能不改變D超聲流量計接觸式4聲道一對雙反射聲道和一對單反射聲道無30D無流動調整器0.65計量性能改變30D有流動調整器0.44計量性能改變

4 結論與建議

通過對國內外相關標準的比較和實驗研究發現，為了應對現場多阻流件的工藝流程，減少場站的占地面積，配置流動調整器幾乎是必不可少的。在配置流動調整器后，DN100的超聲流量計按照上游直管段長度20D與按照30D配置時的計量性能沒有明顯差異，繼續縮短直管段長度對于不同廠家的超聲流量計有不同程度的影響。

近年來，流量計技術的進步提高了對多種流態的適應性，為減少場站的占地面積，廠家提出的推薦直管段長度也在逐漸縮短。在采納廠家建議的前提下，使用小口徑超聲流量計的中低壓貿易交接場站可以參考本研究進一步判斷流量計運行時的計量性能，消除可能計量不準對生產經營帶來的不利影響。另外，由于實驗對象的聲道布置和反射方式各有不同，多聲道超聲流量計在非理想流態下有相對更好的表現，強化了對旋渦流等流態的適應性，在直管段長度更短時依然能正常運行，有利于減少場站的占地面積，降低建設成本。

不同型號和聲道配置的流量計對管道配置的要求有明顯的差異，建議流量計廠家應結合流量計性能和現場情況提出適用的安裝配置并提供支撐的測試數據。同時，由于內徑不匹配或安裝不當會直接影響計量準確度，流量計使用單位應嚴格按照標準規定的其他要求加工和安裝配套直管段。