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超聲波流量計在天然氣流量計量中的應用及存在
發布日期：2018-02-05 09:02
超聲波流量計在天然氣流量計量中的應用及存在問題分析，文章對超聲流量計的工作原理、計量特點作了簡單介紹，對超聲流量計在采氣二廠外貿計量中的應用和效果作了簡要的分析評價，并對超聲流量計使用過程中存在的問題作了簡要分析，提出了自己的認識和建議，對今后更好地使用超聲流量計提供了幫助。
渦輪流量計,氣體渦輪流量計,羅茨流量計
近年來，隨著長慶油田天然氣勘探、開發的不斷深入，天然氣事業進入了大規模發展階段，天然氣流量計量成為天然氣開發與管理中的一項重要工作，在天然氣的生產、輸送，特別是分配、交易過程中，考慮到供需雙方的經濟利益，要求流量計具有精度高、能耗低、維修量少的優良特性，尤其是對于大口徑流量的測量，這種特性顯的更為重要，超聲波流量計是一種非接觸式測量流量的儀表，它利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流體的流速和流量，較其它流量計具有計量精度高、不節流、無壓力損失等優點，特別適合天然氣的在線高精度貿易計量。
2 超聲波流量計在我廠使用概況
長慶油田第二采氣廠擔負著向首都北京供氣的主要任務，貿易計量系統的準確可靠與否，直接關系著交易雙方的切身經濟利益，超聲波流量計以其優越的計量性能在此貿易計量中發揮著重要作用。
采氣二廠處于整個長慶油田產氣外輸的窗口位置，負責對本廠所產天然氣和轉輸的蘇里格氣田所產天然氣進行計量，所管轄外貿超聲波流量計有24臺，其中陜京一線3路和陜京二線5路超聲波流量計，用于計量本廠所產天然氣，與北京增壓站進行貿易交接，外輸氣量達1000萬方/天，同時蘇里格第二天然氣處理廠和蘇里格第四天然氣處理廠來氣分別通過9路和7路超聲計量裝置輸往北京增壓站，外輸氣量達2900萬方/天，總計超聲波計量外貿氣量達3900萬方/天。
3 工作原理
氣體超聲波流量計是采用絕對數字時間差法，根據聲波在氣體中順流和逆流傳播的時間差與氣體流速成正比這一原理來測量氣體流量的。
傳感器A所發出的超聲波脈沖穿過管道，被傳感器B接受，當管道中有氣體流過時，在氣流中傳播的超聲波脈沖的傳播速度將受到氣流的影響，使得超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時快，在同一傳播距離內，其逆流、順流方向的傳播時間分別為：
式中：
T1——聲波脈沖從下游換能器傳至上游換能器所需要的時間；
T2——聲波脈沖從上游換能器傳至下游換能器所需要的時間；
L——上下游換能器之間的距離；
C——超聲波聲速；
由上述兩式推導出四通道流量計流體流速計算公式如下：
式中：V—每個聲道的氣體流速；
Wn—權重因子（取決于探頭的幾何分布情況）；
D—超聲波內徑；
Q—流體在管道中的工況流量。
由以上計算過程可知，超聲流量計的測量精度主要取決于聲道長度L和時間測量準確度以及流速的積分技術。
4 氣體超聲波流量計的計量特點
（1）測量獨立于聲速、溫度及氣體狀況
（2）有優良的干擾抑制特性及故障自診斷功能
（3）具有獨特的雙向流測量功能
采氣二廠所用的丹尼爾高級超聲波氣體流量計主要由四部分組成：前后直管段、流量計表體（USM）、流量計算機（S600）、配套的壓力和溫度變送器。圖三為系統組成示意圖。按照換能器多少，超聲流量計可分為一至六聲道超聲流量計；根據超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射三種。采氣二廠超聲流量計均為Daniel公司生產的3400型四聲道直射式超聲流量計。
5 氣體超聲波流量計的具體應用效果
5.1 貿易輸差分析
超聲流量計檢定后于2005.9.15日正式安裝運行，用于陜京一、二線貿易計量。圖四為2010年12月陜京線上下游貿易雙方計量輸差，由圖4可見，貿易交接雙方準確度可控制在0.4%以內。自2010.01.01至2010.12.31累計向陜京供氣232958.4327×104m3，陜京接氣累計232641.0428×104m3，平均計量輸差為0.14%。
5.2 經濟效益分析
下面根據采氣二廠的實際情況，將孔板與超聲流量計進行比對，分析超聲流量計所帶來的經濟效益。
5.2.1 量程比寬
孔板流量計由于量程比窄，通常只有1：3，最高僅1：10，對于相同的流量計量要求，其計量管路多，雖然直接的計量儀表投資少，但是上、下游直管段長，現場工藝管路復雜，相關的閥門、溫度變送器、壓力變送器、直管段、匯管等一次性投資多。
超聲波流量計單表價格高于孔板流量計，但是上、下游直管段短，工藝管路簡單，量程比寬，可達1：200，整個計量回路少，實際現場一次性投資少。
5.2.2 壓損小
下面以采氣二廠1個下游典型用戶用氣參數進行能耗計算：用氣量200×104m3/d，用氣壓力0.6MPa。
節流裝置壓力損失計算式：（最大刻度差壓?P=60kPa）
δp=（1?β1.9）?P
β-節流件內徑與管道內徑之比d/D，取β=0.5；
?P-流量差壓。
δp=（1?β1.9）?P
=（1-0.51.9）×60
=43.9234kPa
節流裝置能耗計算式：（壓縮機效率η=0.8）
計算耗能費：能源價0.4元/kWh
耗能費（年）=（W/1000）×（運行時數/年）×（元/kWh）
=（1270932/1000）×365×24×0.4
=4453346（元/年）
該計算只是能耗損失，不包括壓縮機運行等費用。
與孔板流量計相比，超聲波流量計由于沒有阻流件，不產生壓力損失，因此消除了由于壓損所帶來的能耗費用。
5.2.3 精度高
孔板流量計的計量精度理論上可達到1%，但是通過大量的實踐證明，由于孔板流量計抗干擾能力較差，現場精度最高能達到2%，一般情況下在3%左右。
超聲波流量計的精度則可以達到0.5%甚至更高。
采氣二廠外輸氣量為3900萬方/天，工業用氣每方的價格為0.6元，產生的偏差見下表2所示：
表2 氣量及費用偏差
由此可見選擇兩種不同的流量計量儀表，每天在外輸氣量的計量上產生的偏差相當于一口高產井的產氣量，在費用上產生的偏差更會造成很大的經濟損失。
5.2.4 長期運行費用低
由于流量計長期運行時，有以下幾方面的費用：設備維護費，標定費用，更換部件費用以及操作人員人工費用等，超聲波流量計在這幾個方面產生的費用要遠遠低于孔板流量計。
6 存在問題分析
6.1 影響計量系統性能的現場因素
6.1.1 噪聲
噪聲的產生源主要有：①流過管道的高速氣流；②突入的探頭；⑨整流器；④壓力或流量調節閥等。
實驗研究結果表明，噪聲（如整流器產生的噪聲）對氣體超聲波流量計準確度和穩定性的影響非常大，其帶來的計量誤差可高達2%。
6.1.2 臟污堆積
含水、凝析油、硫化鐵粉末或其他臟污的天然氣流過超聲波流量計時，臟污逐漸堆積在流量計表體管道內以及超聲波探頭上，會影響超聲波流量計的準確度。
6.1.3 溫度、壓力測量的準確度
超聲波流量計計量系統一般由流量計、壓力變送器、溫度變送器（或溫度鉑電阻）、流量計算機及在線組分分析儀組成，通過輸入組分及壓力、溫度，流量計算機可直接將流量計的工況流量轉換為用于貿易計量交接的標準參比條件下的體積量，因此，為確保超聲波流量計計量系統的準確度，必須要保證壓力和溫度測量儀表的準確、可靠。
6.2 減小現場因素影響的措施
6.2.1 降低噪聲的影響
（1）為盡量降低噪聲對超聲波流量計計量準確度和可靠性的影響，在計量管路系統設計時，應對管路系統中的各阻流件所產生的噪聲進行綜合評估，較為特殊的管路系統，設計時可向流量計生產廠家咨詢。
（2）在超聲波流量計與調節閥（如調壓閥）串聯安裝時，應咨詢生產廠家，對調節閥產生的噪聲進行評估，并了解流量計對噪聲的敏感程度。
6.2.2 減少內壁臟污堆積
（1）加強對天然氣氣質的監測，確定合理的直管段和流量計的清洗周期。
（2）目前，各超聲波流量計生產廠家均開發有對超聲波流量計現場計量性能進行監測的專用軟件。在實際使用中可充分利用這些軟件，了解超聲波流量計的工作情況，并根據相關參數判斷流量計是否工作正常以及可能出現的問題等。
6.2.3 保證壓力、溫度測量的準確性
（1）選擇合適的測量范圍，避免儀表的實際工作范圍處于量程的10%以下，從而造成測量誤差處在儀表的擴展誤差限內。
（2）計量系統投運前，應對壓力和溫度測量值進行現場核查。
（3）對于室外工作的變送器宜設置遮陽棚，以免環境溫度接近其設計工作溫度的上限，造成較大的測量誤差。
氣體超聲流量計測量范圍寬、便于安裝、沒有如節流裝置幾何尺寸變化影響儀表特性的問題，因此，獲得了長足的發展。但是，對于一種新型的流量計在現場的使用過程中，環境因素對其性能的影響，需要我們技術人員認真學習超聲流量計相關知識，掌握流量計的計量特性，并做好日常的維護保養工作，探索出一套適合超聲流量計的最佳工作制度，用好流量計，減少計量誤差，確保外貿計量準確可靠，服務于我們的天然氣計量。
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