楊建，溫亞麗，羅揚鋒

(中國石化股份有限公司中原油田分公司 技術監(jiān)測中心，河南 濮陽 457001)

外夾式氣體超聲波流量計的應用

楊建，溫亞麗，羅揚鋒

(中國石化股份有限公司中原油田分公司 技術監(jiān)測中心，河南 濮陽 457001)

介紹了外夾式氣體超聲波流量計在普光氣田的試驗與應用情況，與均速管流量計進行了比對測試，對測點的選擇、管道參數(shù)的測量、氣體組分及壓縮因子的計算、換能器安裝及比對測試的方法等進行了總結，并對測試中易出現(xiàn)的問題及對策進行了探討，為外夾式氣體超聲波流量計在線比對技術在普光氣田的應用積累了經(jīng)驗。

超聲波流量計 均速管流量計 在線比對

普光氣田凈化廠聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣計量采用均速管流量計，為保證計量的準確性，應定期對其進行檢測。由于均速管流量計是一種插入式流量計，拆表外送檢驗，從技術上和實際操作上難度很大，自2010年投產(chǎn)以來從未進行過周期檢定。為解決這一難題，中國石化股份有限公司中原油田分公司技術監(jiān)測中心采用外夾式氣體超聲波流量計對該聯(lián)合裝置的均速管流量計進行了比對測試，取得了較好的效果。

1 外夾式氣體超聲波流量計原理

外夾式氣體超聲波流量計采用數(shù)字式多脈沖時差技術，每聲道的兩個寬束超聲波換能器，互為發(fā)射和接收。超聲波首先由發(fā)射換能器發(fā)出，穿過管壁和介質(zhì)，經(jīng)對面管壁反射后再次穿過介質(zhì)和管壁被接收換能器接收，完成發(fā)射和接收的過程。該流量計利用高精度和穩(wěn)定的數(shù)字相位檢測回路來測量每一方向(順流和逆流)的聲波到達時間，并能分辨±100ps內(nèi)的相關超聲波的傳輸時間差。利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流速，然后根據(jù)管道截面積算出流體工況下的體積流量。

由于氣體的可壓縮性，通常使用標準體積單位來表示體積流量，這就需要流量計對天然氣工況體積動態(tài)補償，轉換為標準狀態(tài)下的體積。因此，流量計需要輸入工況操作溫度和壓力，通過輸入氣體壓縮因子或是通過內(nèi)置表格計算表補償修正標準體積。

2 現(xiàn)場比對測試步驟

外夾式氣體超聲波流量計體積小、功能齊全、操作簡便，測量精度達±1.0%，其多組換能器適用大多數(shù)金屬管及塑料管，適用管徑范圍為50～700mm， 管壁厚度為2.0～31.8mm，被測介質(zhì)壓力不低于0.7MPa。為了降低在線檢測比對的誤差，應遵循以下操作步驟，盡量減少人為因素造成的測量誤差。

2.1測量點的選擇與管道參數(shù)的測量

正確選擇測量點和準確地測量管道參數(shù)是減少附加比對測試誤差的前提條件。為此必須注意以下兩點： 測量點應選擇在管道上游至少10倍以上、下游5倍以上管徑長度的直管段上，測量點處應無焊縫、無振動及無電磁干擾源等；由被測單位提供測試管道設計參數(shù)，現(xiàn)場對管道外徑及壁厚進行復核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應進行多點測量后取其平均值。

2.2安裝換能器

將管道外徑、壁厚和管道材質(zhì)數(shù)據(jù)輸入流量計主機，主機根據(jù)輸入的管道參數(shù)，推薦出所安裝換能器的型號、安裝方式和安裝間距。與液體超聲波流量計相比，氣體超聲波流量計測量信號更容易受到噪音信號干擾，如果信噪比在10∶1以下，就無法準確測量。因此，在固定換能器前，為減小管道噪音信號對測量結果的影響，應在管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜，貼時應盡量減少氣泡的產(chǎn)生，如產(chǎn)生氣泡應將氣泡弄破，釋放出氣體。

2.3氣體參數(shù)的設置

由凈化廠提供氣體的組分、比熱率、黏度和被測點氣體的溫度、壓力等可靠數(shù)據(jù)。組分用于計算氣體理論聲速和壓縮因子；比熱率用于計算氣體的平均密度；黏度用于進行流態(tài)補償計算。該流量計可以通過輸入固定的壓縮因子或是通過內(nèi)置表格計算來修正標準體積?，F(xiàn)場溫度、壓力如果變化不大時，可以輸入固定值；如果變化較大，該流量計提供了4個模擬信號輸入通道，可以對溫度、壓力模擬信號定義后，實時采集溫度、壓力信號，將工況條件下的體積流量轉換成標準狀態(tài)條件(p=101.325kPa，t=20℃)下的體積流量。該流量計在設置完成后可以顯示出測量的聲速，然后利用內(nèi)置表格計算出管道內(nèi)氣體理論聲速。如果測量聲速和理論聲速接近，表明流量計設置、安裝正確，可以開始流量測試；反之，則需要重新設置、安裝。

2.4在線比對測試結果

所有參數(shù)設置安裝完成后可以進行流量測量。為便于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和DCS的流量數(shù)據(jù)進行在線比對，將外夾式氣體超聲波流量計主機時鐘按照DCS時鐘進行校準，由流量計主機自動記錄測試時間和測試結果。

外夾式氣體超聲波流量計經(jīng)過了國家石油天然氣大流量計量站南京分站的實流檢定，準確度等級達到了1.0級。為進一步驗證其現(xiàn)場測試精度，首先在普光分公司外輸天然氣計量撬管線上進行了測試，與外輸超聲波流量計進行了比對，數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 凈化廠外輸計量撬流量比對測試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，兩次測量的相對誤差均未超過±1.0%，說明選用該流量計精度符合現(xiàn)場測試要求。利用該流量計先后對凈化廠的6套聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣共18個流量測量點的均速管流量計進行了在線比對測試，數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 凈化廠聯(lián)合裝置均速管流量計比對測試數(shù)據(jù)

對表2測試結果進行分析，18臺均速管流量計中誤差最大的是六聯(lián)合一列的原料氣，相對誤差為-51.22%；誤差最小的是三聯(lián)合一列原料氣，相對誤差為0.27%，有15臺均速管流量計誤差超過了±3.0%，說明該種流量計在長時間運行后其計量精度降低，不適用于普光氣田凈化廠天然氣流量計量。

3 比對測試中的注意事項

為確保該流量計的在線測量精度，在測試過程中需要注意以下幾點：

1) 不同型號的流量計換能器所適用的管道外徑、壁厚和被測的介質(zhì)最低壓力等數(shù)據(jù)是不同的，要確保提供的參數(shù)在其適用范圍內(nèi)；另外，管道外徑與壁厚比大于15時性能最佳，小于5時測量效果會變差。

2) 測試現(xiàn)場的溫度、壓力在測量過程中是否穩(wěn)定，將影響測量精度。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可以估算出： 溫度相差1℃，流量測量結果相差約 0.3%； 壓力相差0.1MPa，流量測量結果相差約1.3%。

3) 信噪比大小對測量結果有較大影響。如果信噪比在10以下，就無法得到準確的測量數(shù)據(jù)。該測量現(xiàn)場主要有兩種測試環(huán)境： 碳鋼管線中脫水后的凈化天然氣；不銹鋼管線中含H2S和CO2體積分數(shù)較高的酸性原料氣。碳鋼管線凈化天然氣信噪比可以達到35以上，現(xiàn)場較好測量；不銹鋼管線天然氣信噪比較低。為抑制管道中噪音信號，提高信噪比，需要在測量管道外壁粘貼氣體耦合劑薄膜。

4) 換能器的安裝條件及安裝精度影響最終的測量結果。安裝換能器時，管道外表面應去除保溫層、去漆，銹跡應砂平，耦合劑應粘貼涂勻，不能有空隙，否則聲波會在固氣界面上發(fā)生折射，無法傳到被測流體。為確保流體所需的流速分布，換能器前后要有足夠長的直管段，而且上游30倍管徑長度內(nèi)的管段上不能安裝有泵、閥等擾動設備。換能器安裝時應避開管道的焊縫及連接處，安裝在傾斜和水平管道上時，不應安裝在上部或底部，應安裝在管道截面九點至十點方位，完全接觸管壁使超聲波傳播順利通過管道中心。

4 結束語

通過對凈化廠聯(lián)合裝置均速管流量計在線比對測試，探索出用外夾式氣體超聲波流量計在線比對技術，制訂在線比對操作規(guī)范，為下一步對普光氣田天然氣集輸系統(tǒng)流量計的在線比對積累了經(jīng)驗。

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稿件收到日期： 2013-01-15。

楊建(1966—)，男，河南洛陽人，1988年畢業(yè)于西北工業(yè)大學流體控制與操縱系統(tǒng)專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于中國石化股份有限公司中原油田分公司技術監(jiān)測中心，從事計量檢測工作，任高級工程師。

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