常艷兵，胡連鋒

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 西南分公司，四川 成都 610041)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，以西氣東輸、陜京一線及二線、川氣東送為代表的天然氣管道陸續(xù)建成，并投產(chǎn)運(yùn)行，超聲波流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于管道的天然氣計(jì)量中，在高壓力、大口徑、大流量天然氣計(jì)量中充分發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)，并得到計(jì)量交接雙方的認(rèn)可[1-4]。天然氣流量計(jì)計(jì)量結(jié)果是供需雙方貿(mào)易結(jié)算過(guò)程中的一項(xiàng)重要的依據(jù)，計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證了貿(mào)易結(jié)算的公平，也能避免貿(mào)易交接過(guò)程中出現(xiàn)的計(jì)量糾紛，并在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，提高了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。因此，研制與設(shè)計(jì)一套合理的天然氣計(jì)量系統(tǒng)尤為重要。

1 天然氣計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成和選型

1.1 天然氣計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)成

天然氣計(jì)量系統(tǒng)通常由計(jì)量?jī)x表、工藝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

1)計(jì)量?jī)x表。通常由流量計(jì)、相應(yīng)配套的流量計(jì)算機(jī)、壓力變送器、溫度變送器、組分分析儀表等構(gòu)成。

2)工藝系統(tǒng)。通常由裝置前部入口匯管、后部出口匯管、并聯(lián)的流量計(jì)管路上的閥門(mén)、流量計(jì)前后直管段、流動(dòng)調(diào)整器等構(gòu)成。除在線水露點(diǎn)測(cè)量?jī)x、在線硫化氫測(cè)量?jī)x、在線色譜分析儀、流量計(jì)算機(jī)外，計(jì)量?jī)x表均在工藝系統(tǒng)上安裝。

3)控制系統(tǒng)。主要完成數(shù)據(jù)采集、流程切換、計(jì)量系統(tǒng)自動(dòng)閥門(mén)控制、計(jì)算機(jī)處理等功能，計(jì)量控制系統(tǒng)利用流量計(jì)配套的流量計(jì)算機(jī)對(duì)壓力、溫度、流量、組分等信號(hào)進(jìn)行采集，并上傳計(jì)量數(shù)據(jù)至站場(chǎng)控制系統(tǒng)[5]，最后通過(guò)站場(chǎng)控制系統(tǒng)將控制數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)等上傳至控制中心。

1.2 天然氣計(jì)量系統(tǒng)的選型

1.2.1 流量計(jì)選型

目前，天然氣計(jì)量系統(tǒng)中使用的流量計(jì)類(lèi)型包括超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、羅茨流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)。流量計(jì)選型時(shí)要結(jié)合流體特性、儀表性能、安裝條件、經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境條件等幾個(gè)方面綜合考慮。不同類(lèi)型流量計(jì)的對(duì)比見(jiàn)表1所列。

表1 不同類(lèi)型流量計(jì)對(duì)比

1.2.2 超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì)對(duì)比

在天然氣貿(mào)易交接計(jì)量中，超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì)是最常用的兩種類(lèi)型。為了便于對(duì)比，選用口徑均為DN80的兩種流量計(jì)，從測(cè)量原理、測(cè)量范圍等方面對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì)對(duì)比

續(xù)表2

從表2中可以看到，超聲波流量計(jì)與渦輪流量計(jì)相比，在工作原理、試驗(yàn)室精確度、重復(fù)性、溫壓補(bǔ)償、直管段安全要求等方面具有相同點(diǎn)；而超聲波流量計(jì)具有始動(dòng)流量較小、壓損小、無(wú)需定期維護(hù)、無(wú)機(jī)械磨損等方面的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。

1.2.3 天然氣計(jì)量系統(tǒng)撬裝

天然氣計(jì)量撬是指將系統(tǒng)中的儀表、設(shè)備及管線，采用對(duì)應(yīng)的管托、管架作為支撐，并固定在整體的一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，構(gòu)成整體的集成裝置。撬裝設(shè)備在撬廠制造完成后，運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)基座進(jìn)行安裝，并連接與上、下游管道，配電電纜、信號(hào)電纜分別接至撬內(nèi)接線箱、配電箱后，方可投入使用。天然氣計(jì)量系統(tǒng)組撬時(shí)，要充分考慮工程投資、工程計(jì)量精度、現(xiàn)場(chǎng)地址條件、運(yùn)輸條件、安裝條件等的要求。

2 新型多管路超聲波流量計(jì)量撬的設(shè)計(jì)與研制

2.1 設(shè)計(jì)思路及主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)前文分析，與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)能較方便地實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量，具有不改變流體狀態(tài)、安裝維修方便、不受管道口徑限制、適合于各種管徑的測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前天然氣貿(mào)易交接計(jì)量過(guò)程中，最常用的流量計(jì)。按照測(cè)量原理劃分，超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理分為頻差法、相位法和時(shí)差法，其中時(shí)差法準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用最為廣泛。

在實(shí)際工作過(guò)程中，處在上、下游的換能器將同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖，1束脈沖信號(hào)為逆流傳播，另1束脈沖信號(hào)為順流傳播，氣流的作用將使2束脈沖以不同的傳播時(shí)間到達(dá)接收換能器。由于2束脈沖傳播的實(shí)際路程相同，因此傳輸時(shí)間的不同直接反映了氣體流速的大小，通過(guò)測(cè)量超聲波在逆流和順流時(shí)的傳輸時(shí)間，獲得各聲道天然氣的流速和聲速，按照不同聲道的加權(quán)值對(duì)氣體流速平均，經(jīng)修正后獲得天然氣平均流速，并以此為依據(jù)，計(jì)算天然氣在工況和標(biāo)況的體積流量。

傳統(tǒng)的多管路超聲波流量計(jì)在使用過(guò)程中由于混合不均勻，導(dǎo)致超聲波流量計(jì)誤報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)安裝速度慢、質(zhì)量難以保證等缺陷的產(chǎn)生，在一定程度上影響了超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度。為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供了一種新型多管路超聲波流量計(jì)量撬。

新型多管路超聲波流量計(jì)量撬應(yīng)充分結(jié)合國(guó)內(nèi)當(dāng)前和近期可能達(dá)到的校驗(yàn)?zāi)芰σ?，要滿(mǎn)足相關(guān)計(jì)量精度和設(shè)計(jì)負(fù)荷要求，還要考慮采購(gòu)過(guò)程、校驗(yàn)過(guò)程、運(yùn)行、維修成本等因素。在已建和在建天然氣管道中，比較常用的超聲波流量計(jì)口徑規(guī)格有DN100，DN150，DN250，DN300，DN400。為校驗(yàn)方便，優(yōu)先選用口徑不大于DN400的流量計(jì)，綜合考慮成撬后的運(yùn)輸便捷性和在線校驗(yàn)的可行性，單撬建議不超過(guò)5路，超聲波計(jì)量管流速設(shè)計(jì)上限宜控制在25 m/s以?xún)?nèi)[6-7]。

該次新型多管路超聲波流量計(jì)量撬應(yīng)用的工況條件為： 計(jì)量介質(zhì)為天然氣；工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為10 MPa；工作環(huán)境溫度為-20～60 ℃；工況流量3.0×103～2.5×105m3/h；進(jìn)口、出口管路直徑為DN300；防護(hù)等級(jí)優(yōu)于IP65；防爆等級(jí)優(yōu)于Exd IIB T4；由A，B，C，D，E共5個(gè)模塊拼接而成，拼接后總體尺寸為25.5 m×15 m×4 m。

2.2 組成及結(jié)構(gòu)

新型多管路超聲波流量計(jì)計(jì)量撬裝置，主要由超聲波流量計(jì)、溫度/壓力測(cè)量?jī)x表等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多管路超聲波計(jì)量撬工藝原理流程示意

上游氣源(可為多路氣源)經(jīng)過(guò)計(jì)量撬入口管匯進(jìn)入計(jì)量撬，通過(guò)在線色譜分析小屋后進(jìn)行分流，分5路進(jìn)入下游管路系統(tǒng)。每路計(jì)量前后均設(shè)有軌道球閥，并在上游軌道球閥設(shè)置旁通小閥，用于管道緩慢充氣，避免流量計(jì)壓差過(guò)高和流速過(guò)高，同時(shí)便于超聲波流量計(jì)啟用前的零流量測(cè)試。為縮短超聲波流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度，在流量計(jì)上游10D處設(shè)置了整流器。為實(shí)現(xiàn)超聲波流量計(jì)相互比對(duì)和互為備用，設(shè)置了超聲波流量計(jì)比對(duì)流程，如果上游有多路氣源，管匯混合長(zhǎng)度不宜小于5 m。

2.3 設(shè)備選型

采用5臺(tái)口徑為DN300、量程為3.0×103～2.5×105m3/h的超聲流量計(jì)對(duì)每路天然氣進(jìn)行計(jì)量。壓力變送器為智能壓力變送器，量程范圍為0～10 MPa；溫度變送器為智能型，量程范圍-20～70 ℃；選用1臺(tái)在線色譜分析小屋可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)的組分分析。超聲波流量計(jì)的前、后管路上，選用密封性能良好的軌道球閥，防止并聯(lián)計(jì)量管路的泄漏。根據(jù)天然氣站場(chǎng)防火、防爆要求，裝置采用防火、防爆設(shè)計(jì)，電氣系統(tǒng)、儀表設(shè)備均選用防爆型。

2.4 控制系統(tǒng)功能設(shè)置

控制系統(tǒng)主要包括以下3個(gè)功能：

1)對(duì)溫度變送器、壓力變送器、超聲波流量計(jì)及在線色譜分析小屋的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總、收集、處理、計(jì)算、存儲(chǔ)及結(jié)果的輸出。

2)對(duì)電動(dòng)軌道球閥實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)操作及流程切換。

3)通過(guò)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、編程組態(tài)以及數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和維護(hù)工作。

2.5 模塊拼接構(gòu)成

新型多管路超聲波流量計(jì)計(jì)量撬，由模塊A，B，C，D，E組合拼接而成，計(jì)量撬模塊構(gòu)成如圖2所示。

圖2 新型多管路超聲波流量計(jì)計(jì)量撬模塊構(gòu)成示意

1)模塊A。包括計(jì)量撬入口匯管、在線色譜分析小屋、計(jì)量上游切斷閥及其平衡氣管路上游的球閥、雙作用節(jié)流截止放空閥。

2)模塊B。包括3路計(jì)量上游切斷閥后管路、整流器、超聲波流量計(jì)及下游溫度計(jì)。

3)模塊C。與模塊B類(lèi)似，包括2路計(jì)量上游切斷閥后管路、整流器、超聲波流量計(jì)及下游溫度計(jì)。

4)模塊D。包括4路計(jì)量比對(duì)流程切換閥及每路計(jì)量管路放空。

5)模塊E。包括每路計(jì)量末端出口軌道球閥和出口匯管管路。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)高壓大流量天然氣計(jì)量中，超聲波流量計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，綜合考慮運(yùn)輸方便性與校驗(yàn)的可行性，建議單撬不宜超過(guò)5路，計(jì)量管路口徑不宜超過(guò)DN300。

2)設(shè)計(jì)研制了一套新型多管路超聲波流量計(jì)量撬，采用模塊化拼接的方式，克服了常規(guī)散裝安裝方式占地面積大、施工周期長(zhǎng)等缺陷，使安裝方式更為便捷可靠。

3)入口管匯的進(jìn)氣和分流方式，更容易確保上游氣源充分混合，使每路超聲波流量計(jì)流體介質(zhì)混合更為均勻，確保了管匯在線色譜分析小屋數(shù)據(jù)更具有代表性，有利于提高商品貿(mào)易計(jì)量的精度。

4)計(jì)量比對(duì)撬(模塊B)，包括2路計(jì)量和1路比對(duì)流程，可實(shí)現(xiàn)流量計(jì)互為備用和相互比對(duì)功能。