天然氣作為一種上等能源和化工原料,準確地進行流量計量是企業進行經濟分析、降低運行成本的關鍵,直接影響企業的經濟效益,是備受供需雙方關注的環節。中國石油天然氣有限公司與下游各用氣城市貿易結算的計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,由于它具有精度高、適應性強的優點。為了滿足西氣東輸工程的要求,我國于2001年編制了國家標準gb/t 18604—2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》。

1 工作原理與特點
1.1 工作原理
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用,測量體積流量的速度式流量儀表,測量原理有傳播時間差法、多普勒效應法、波束偏移法、相關法、噪聲法。天然氣超聲波流量計的測量原理是傳播時間差法(見圖1)。在天然氣管道中安裝2個能發送和接收超聲脈沖的傳感器形成聲道。2個傳感器輪流發射和接收脈沖,超聲脈沖相對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間:
式中 t1———沿聲道順流傳播的超聲脈沖的傳播時間, s
t2———沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的傳播時間, s
l———聲道長度,m
c———被測介質中超聲脈沖的聲速,m/s
vm———被測介質的流速,m/s
φ———被測介質流動方向與聲道之間的夾角, rad
由式(1)、(2),可以推導出被測介質流速的計算式:
由式(3),被測介質中的聲速在式(3)中被消去,說明被測介質的流速與被測介質的性質無關。
1.2 特點
① 天然氣超聲波流量計適用于高壓、大口徑、大流量的工況,但對小流量、尤其是拐點流量(*大流量的10% )以下的流量段應慎用。
② 天然氣超聲波流量計不受氣體流向的影響,能以相同的準確度進行雙向流量計量,無壓力損失,無轉動部件,無過載被損壞的危險,維修量小,自動化程度高。
③ 對同一廠家生產的天然氣超聲波流量計,聲道越多,計量精度越高,性能越可靠。如果其中1條聲道出現故障,流量計會繼續用其他聲道測量,并替換掉故障通道的測量數據。報警器將對故障情況發出報警,但流量計仍可準確運行。
④ 大口徑、多聲道的天然氣超聲波流量計計量精度高(±0. 5% ),量程比寬,抗*力較強。
⑤ 對于上游無整流器的多聲道天然氣超聲波流量計,它的上游需長10倍管徑的直管段,下游需長5倍管徑的直管段。
⑥ 天然氣超聲波流量計的儀表系數可根據管道及聲道等的幾何尺寸計算求得,即可采用干式檢定。
2 檢定
根據規定,用于貿易結算的計量量器屬于強制檢定范疇,必須進行周期檢定,執行國家有關的計量檢定規程或標準。對于無須強制檢定的天然氣超聲波流量計,也可采用干式檢定,若在供貨合同中無實流校準的要求,天然氣超聲波流量計出廠時廠家一般只作干式檢定。
2.1 干式檢定
流量計的干式檢定并不是校準,因為這種方法不是根據與某一標準或基準相比來檢查測量結果并進行必要的調整,所以用“檢定”一詞較為恰當。管道及聲道的幾何尺寸可以準確測定,利用電子線路和高質量的石英晶體振蕩器,可以以*的精度與穩定性進行時間的測量,但干式檢定要成為*的標準還需進行大量研究驗證。干式檢定方法主要包括以下步驟。
① 流量計幾何尺寸的測量
為保證流量計的精度,聲道長度l和聲道與被測介質流速的夾角φ是非常重要的基本參數,采用高性能的設備**控制測量公差,可以改善精度。
② 電子線路與傳感器性能測試
一方面檢測其性能指標是否符合設計規定要求,另一方面復核其性能指標穩定性,即電子部分的穩定度是否滿足要求。
③ 零流量檢查
在流量計兩端連接盲法蘭,測量管內不會有任何氣體流動,而且所有聲道上測得的氣速都應為0。只要流量計被隔離,這一測試即可在實際管道中進行。但是根據實際經驗,隔離法的性能并不總是很好,即使很小的泄漏量也能產生雖小但可測量的氣體流量。如果進行在線測試,一定要特別注意避免上述因素引起的誤導,還有因溫度梯度引起的流體對流也很容易被誤認為是氣體流動。
④ 聲速檢查
聲速檢查既可作為功能測試,也可作為校驗的一項內容。當想要對流量計進行實流檢定時,只需進行功能測試,用壓縮空氣或n2就可完成。當進行校驗時,需要用已知組成的氣體對流量計進行測試,一般選擇n2。為了對現有壓力和溫度下期望得到的聲速進行**的計算,還需安裝**的溫度和壓力測量裝置,需注意達到熱平衡狀態需要有足夠的時間。觀察到的聲速與聲速的期望值的比較結果,會暴露聲道長度的某種誤差。單聲道測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,測量值與期望值之間的差異接近0. 1%。這一測試也可以在實際管道中進行,關鍵的是要知道測試時氣體的**組成,同時還必須進行**的溫度和壓力測量。
2.2 實流校準
實流校準是將超聲波流量計與一個計量標準或參考標準進行對比,以此判斷流量計的準確度。與流量計進行對比的標準裝置及其輔助測量儀表都應符合國家標準。實流校準的優點在于可以減少因超聲波流量計聲道長度、聲道角度、管內徑和聲道位置等誤差所造成的流量測量誤差。超聲波流量計的用戶能得到詳細說明流量計準確度的計量合格證書,同時能對超聲波流量計進行調整,減少其相對于檢定裝置的校準測量誤差或偏差。
用超聲波流量計測量天然氣流量時,氣體壓力和溫度變化都會對測量結果的準確度產生影響。從目前歐美國家所做研究試驗來看,在1. 4~6. 9mpa的試驗范圍內,*不利的情況是壓力每變化0. 7mpa,流量計的準確度相差0. 1%。對dn 200 mm和dn 300mm的流量計,壓力每變化4. 5mpa,準確度相差0. 4%,溫度每變化16. 7℃,準確度相差0. 1%。因此,為保證氣體超聲波流量計的性能,必須在接近實際運行工況條件下對超聲波流量計進行實流校準。
根據我國標準gb/t 18604—2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》附錄a出廠測試要求,超聲波流量計出廠必須做幾何尺寸測量和零流量檢驗測試,而對于實流標定則規定,為減少流量計的測量誤差,出廠前可進行實流校準[1]。另根據《中華人民共和國進口計量器具監督管理辦法實施細則》,列入《中華人民共和國依法管理的計量器具目錄》的進口計量器具,在銷售之前必須經省級政府計量行政部門檢定。當地不能檢定的,向計量行政部門申請檢定。未經檢定合格的,不得銷售。根據此規定,進口流量計在銷售之前均必須進行檢定。
目前國內使用的超聲波流量計的實流標定,是在美國進行的,檢定費用另外計算。對下游用氣城市,凡是合同中未明確要求實流標定的,供貨商均未提供此項服務,如要求標定,費用另行結算。供貨商提供的交貨資料只提供出廠測試報告,而沒有國家計量檢定部門出具的檢定報告。超聲波流量計出廠做干式檢定,精度小于0. 5%則合格。實流標定是用于貿易結算計量的流量計必須做的,我國主要天然氣流量計量站的檢測能力見表1。
3 結語
天然氣超聲波流量計與目前廣泛使用的孔板流量計相比,有很多優點,如系統基本投入較低、雙向測量、大量程比、無壓損、無運動部件和高精度等。孔板流量計已使用多年,具有標準化程度高、使用簡單可靠、一般無特殊要求時無須標定等特點,可與超聲波流量計互補使用。隨著我國各項法律、法規的制定和完善,特別是標定內容和時間的明確,隨著我國天然氣的進一步發展,超聲波流量計在天然氣領域中的應用前景看好。