氣體超聲流量計的應(yīng)用探討

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和流量測試技術(shù)研究的深入，近幾年來氣體超聲流量計的問世引起了流量界廣泛的興趣。美國AGA于1998年發(fā)布了AGA9號報告《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》；之后不久ISO于同年12月也發(fā)布了ISO/TR-12765《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管內(nèi)的流體流量》技術(shù)報告。為了適應(yīng)我國西部天然氣開發(fā)，滿足西氣東輸工程的要求，我國于2001年內(nèi)編制了GB/T 18604《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》的國家標(biāo)準(zhǔn)。同時，為了驗證該類型流量計的性能，西南油田分工司率先首批有針對性地引進(jìn)了國外二個公司的超聲流量計產(chǎn)品，并在華陽天然氣流量測試中心，對其性能進(jìn)行了系統(tǒng)測試，之后在典型站場上進(jìn)行了工業(yè)性試驗，為今后該類型流量計在我國天然氣領(lǐng)域中的推廣使用提供了寶貴經(jīng)驗。

準(zhǔn)確地進(jìn)行天然氣流量測量是企業(yè)部門進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，降低運行成本的關(guān)鍵一環(huán)，直接地影響著一個企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，倍受供需雙方關(guān)注。隨著世界能源供求日益緊張；人們都十分關(guān)心并尋求一種精度高，適應(yīng)性強(qiáng)的流量計來測量天然氣流量，以維護(hù)企業(yè)的利益。超聲流量計自投放市場以來，與目前其他類型流量計相比，顯然有著更多更好的性能特性，因而倍受人們青睞。近幾年，在北美及加拿大新建設(shè)幾條大型輸氣管道工程中，如AIIiance管線、Vector管和北部邊疆等管道工程中已開始用超聲流量計，作為貿(mào)易計量，應(yīng)用效果已得到證實。最近二、三年來，我國先后從國外引進(jìn)了超聲流量計約30臺，西南油田分公司占三分之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前所使用的超聲流量計約占世界使用量的５％，可見我國流量界是相當(dāng)關(guān)注這一新型流量儀表。目前，正在擬建中的新疆輪南至上海的西氣東輸工程，貿(mào)易計量的首選流量計為超聲流量計，口徑DN250~300mm；中小型站場選用DN50~200mm渦輪流量計。隨著我國天然氣工業(yè)的發(fā)展，超聲流量計在天然氣工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景看好。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)新型流量計是必然的。然而由于天然氣流量測量技術(shù)本身涉及面廣，隨著對象不同，對流量計有著不同的要求，也就是說客觀上多種流量計并存，才能滿足不同場合和層次的需求。盡管超聲流量計與目前使用廣泛的孔板流量計相比，有著更多的優(yōu)點，主要反映在有較低的系統(tǒng)基本投入，雙向測量，大量程比，無壓損，無可動部件和高精度等。但由于孔板流量測量技術(shù)歷史悠久，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用簡單可靠，一般無特殊要求時無須標(biāo)定等特點。由此可見，盡管超聲流量計已問世，它只能起到互補(bǔ)作用，可以肯定不可能完全替代。在今后相當(dāng)長一個時期內(nèi)，由于種種因素的制約，特別是標(biāo)定不能獲得妥善解決之前，孔板流量計仍是天然氣計量主要手段之一。

任何一種新型流量計多獲得工業(yè)化應(yīng)用和認(rèn)可都要歷經(jīng)一個相當(dāng)長的過程，這也就意味著人們一方面對它的認(rèn)識，另一方面流量計本身與應(yīng)用中所暴露出來的問題，能否得到滿意的解決。就超聲流量計而言，仍有一些實際使用中的工作需要做，超聲流量計工業(yè)化試驗試用還需要進(jìn)一步開展。盡管目前發(fā)布有AGA N09號報告，ISO發(fā)布有TR12765技術(shù)文件，我國也制定了相應(yīng)的GB/T18604標(biāo)準(zhǔn)。從工業(yè)化，標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用角度來看，超聲流量計要獲得工業(yè)上廣泛應(yīng)用，還應(yīng)當(dāng)解決以下四個方面問題。

·針對工業(yè)流場上游側(cè)不同類型阻力件產(chǎn)生的影響，如何合理確定不同情況下流量計上游直管段長度；
·操作壓力、溫度及氣體組分的變化對流量測量影響及校正辦法；
·不同雷諾數(shù)速度分布剖面修正系數(shù)精確確定和流量計主體幾何尺寸誤差所帶來對精度的影響；
·探頭電氣特性的穩(wěn)定性及探頭的互換性等。

從超聲流量計的結(jié)構(gòu)和測量原理來看，這種速度型流量儀表可以實現(xiàn)“干標(biāo)”。這是因為流量計腔體幾何尺寸D和聲道長度尺寸L和X值(X代表傳感器間的軸向長度)，利用目前的測量技術(shù)及手段，幾何尺寸是可以獲得準(zhǔn)確測定。如果電子電路和傳感器的性能獲得準(zhǔn)確測量，傳感器組件的電氣特性穩(wěn)定并具有可互換性，那么“干標(biāo)”就可獲得實際的應(yīng)用。然而，目前仍沒有足夠技術(shù)措施和理由來證明這一點，也就是未就“干標(biāo)”達(dá)成共識。當(dāng)前，在北美、南美、歐洲、對貿(mào)易計量的超聲流量計供需雙方都要求有足夠的測量精度，基于合同雙方這一要求，可信賴辦法還是要標(biāo)定。對于口徑較小的氣體超聲流量計(DN300mm)利用目前國內(nèi)、外已建標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定雖然可以辦到；對于口徑大于DN300，高壓大流量標(biāo)定裝置目前還很難辦到。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，將流量計從現(xiàn)場卸下來運到標(biāo)定中心去標(biāo)定，對于用戶來講是一種極大的負(fù)擔(dān)，而且每標(biāo)定一次費用是相當(dāng)高的，相比之下大口徑流量計其費用占有更高百分比。從制造廠角度來看，為了使流量計的測量誤差或系統(tǒng)誤差達(dá)到最小，為了滿足精度，出廠前要進(jìn)行標(biāo)定，這將產(chǎn)生附加的產(chǎn)品成本。根據(jù)導(dǎo)由于管徑、壓力、投資及標(biāo)定系統(tǒng)運行費用等多方面原因和所需考慮的條件，目前世界上很難找到有幾套裝置能標(biāo)DN300mm以上的超聲流量計。這無疑將制約大口徑超聲流量計的應(yīng)用和中小口徑超聲流量計的廣泛使用。鑒于這一情況，在選用超聲流量計一定要權(quán)衡利弊，特別是流量計定期標(biāo)定問題。

“干標(biāo)”與流量標(biāo)定不同，它不是利用標(biāo)準(zhǔn)表或參比表來檢查所用流量計的結(jié)果。為了解決這一問題，為流量計廣泛使用鋪平道路，國外超聲流量計制造廠家致力于“干標(biāo)”法的研究。目前，一般出廠前無特別要求都是采用“干標(biāo)”法，主要包括：

1、流量計幾何尺寸的檢定。為保證流量計的精度，聲道長度L和聲道與介質(zhì)間夾角?是非常重要的基本參數(shù)，精確控制測量公差將改善精度，這一點在目前條件下是可以采用高性能設(shè)備獲得。精確的幾何尺寸是提供電子線路組態(tài)的基礎(chǔ)。

2、電子線路與探頭（傳感器）性能測試。一方面是檢測其性能指標(biāo)是否符合設(shè)計規(guī)定要求，更重要是復(fù)核其性能指標(biāo)穩(wěn)定性，即電子部分的穩(wěn)定度是否滿足要求。電子線路和探頭性能穩(wěn)定度是超聲流量實現(xiàn)“干標(biāo)”和探頭具有良好互換性的關(guān)鍵。這也是目前能否實現(xiàn)“干標(biāo)”的主要矛盾。

3、零流量檢查。當(dāng)沒有流量時，流量計的示值應(yīng)當(dāng)為零，而且應(yīng)當(dāng)有良好的重復(fù)性。當(dāng)然，在測試時應(yīng)當(dāng)保證在熱穩(wěn)定環(huán)境中進(jìn)行。當(dāng)在現(xiàn)場管路中進(jìn)行時，應(yīng)將流量計上下游閥門處于關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行，保證閥門不漏，避免流量計處于日光暴曬下。

4、聲速／聲程標(biāo)定，當(dāng)氣體的溫度、壓力和氣體組分保持不變時，不管流量多少，聲速將是恒定值。為了獲得準(zhǔn)確的聲速值，流量計用一種帶恒壓和已知組分的氣體。在工廠條件下，一般要按用戶提供組分進(jìn)行這一標(biāo)定是很困難，能辦到費用也很高，況且一般用戶在實際使用流量計時組分是有變化的。為此，在工廠內(nèi)一般是采用諸如純N2氣（99.995％）來進(jìn)行這一工作?？磥硌芯繅毫?、溫度及組分變化而帶來影響和修正是十分必要的。

目前，國外主要超聲流量計廠家會同有關(guān)研究部門開展“干標(biāo)”的試驗研究工作，取得了一定的成果，但要作為一種可信賴和標(biāo)準(zhǔn)化的方法列入公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)中還需要進(jìn)行大量研究驗證。
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