天然氣超聲波計量系統性能影響因素分析

 

由于多聲道超聲波流量計具有測量性能高、范圍寬、抗流場干擾性強、無壓力損失、雙向測量、超載安全等特點，在快速發展的天然氣管道輸送行業得以廣泛應用。我國在多聲道超聲波流量計研發上較國外滯后，國產超聲波流量計準確度等級較國外進口超聲流量計計量精度有一定差距。在實際應用中有許多影響多聲道超聲波計量系統性能的客觀因素需要考慮，如噪音、天然氣組分、壓力、溫度等。

 

1 多聲道超聲波流量計工作原理

基于時差法的超聲波流量計是根據聲波在流體中順流和逆流的傳潘時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流速，進而計算出流量的。如圖 1，換能器 A 和換能器 B 固定安裝在流量計殼體上下游，每一個換能器既可以發送信號，也可以接收信號，相對應的兩個換能器交替發送和接收聲波脈沖信號，便可以實現雙向計量，同時消除了氣體類型，壓力、溫度對聲速的影響。當管道內氣體流動時，聲波傳播速度受到影響，使得順流時的傳播速度較逆流時要快。氣體流速越快，則順流與逆流傳播時間差也就越大。在同一傳播距離內，聲波順流與逆流傳播時間分別為:

式中:T A B —聲波順流傳播時間，s;T BA —聲波逆流傳播時間，s;L—上下游換能器之間的距離，m;C—聲波聲速，m/s;ν—超聲波傳播路徑上的氣體線平均流速，m/s;τ 0 —超聲波脈沖信號、電路信號傳播延誤時間總和。

 

在實際應用中 C 2 ν 2 cos 2 φ，公式(3)可簡化為:

多聲道超聲波流量計氣體面平均流速及工況流量計算公式為:

式中:ν n —單條聲道氣體線平均流速，m/s;w n —權重因子，取決于聲道分布;D—超聲波流量計內徑，m;Q—工況瞬時流量，m 3 /h。由公式(7)可知，工況瞬時流量與超聲波流量計內徑、聲道的長度、聲道的幾何分布有關系。

 

由氣體狀態方程，推導出標準狀況瞬時流量計算公式:

式中:P—工況下很好壓力，Pa;T—工況下溫度，K;Z—工況下氣體壓縮因子;P n —標準壓力，1. 01325 × 10 5 Pa;T n —標準溫度，293. 15K;Z—標準狀況氣體壓縮因子。由公式(8)可知，標準狀況流量與工況流量、工況壓力、工況溫度和壓縮因子有關。

 

2 影響多聲道超聲波計量系統性能的關鍵因素

2. 1 臟污

天然氣中夾帶的碳水化合物、硫化亞鐵粉末等污物在流經超聲波流量計時會粘附在超聲波探頭或者流量計表體內壁上，影響流量計計量準確度。如果臟污堆積在探頭上，該聲道聲速將與其它聲道聲速或理論聲速偏差較大。由于臟污堆積，聲波傳播時間縮短，流量計讀數偏大。流量計內徑對測量準確度的影響非常重要，據公式推算，若管道直徑測量值是其真實值的兩倍，則計算所得標準狀況瞬時流量會是真實值的 4 倍。若臟污堆積在流量計表體內壁上，會造成流量計表體內壁粗糙，引起流場形態的變化，造成計量準確度等級降低。另外，臟污堆積會造成流量計表體內壁腐蝕。流量與內徑的平方成正比，因此流量計測量流量會比實際流經流量計流量小，造成流量計讀數偏低。

 

2. 2 噪聲

我國 2014 修訂的 GB /T 18604 中提出噪聲對超聲波流量計精度的影響。在實際應用中，由于壓力或流量調節裝置、高壓氣流沖擊管道、整流器等產生噪音，當這些噪音的頻率與超聲波(80 ～250)kHz在同一波段時，兩種聲波會發生共振，從而干擾換能

器檢測單元分辯超聲波脈沖信號。超聲波流量計信噪比發生變化，影響到計量精確度。研究表明，一些低噪音閥門，以及節流、調壓設備產生的噪音，對超聲波流量計計量準確度影響非常大。計量誤差可高達 2%。美國天然氣協會在多聲道超聲波流量計測量天然氣流量的報告 AGA. NO. 9 中指出調壓閥與流量計安裝太近，或差壓過大產生的噪音對超聲波計量性能的影響。

 

2. 3 壓力、溫度誤差

壓力變送器對環境溫度較為敏感，在沒有采取防曬措施情況下，容易出現零點飄移和測量誤差而影響計量精度。某輸氣站工況壓力為6.15 ×10 6 Pa，天然氣標準狀況瞬時流量為 5. 0 ×10 5 m 3 /h，在夏季溫度較高時出現零點飄移，根據公式(8)運算可知，若壓力變送器零點正飄移 1. 0 ×10 4 Pa，則會導致天然氣瞬時流量偏高 813m 3 /h。

 

由于溫度變送器測溫元件在保護套管內，不能與天然氣直接接觸，因此溫度測量會滯后。由于保護套管內存在鐵屑、水等雜質，至使測溫元件無法及時與天然氣保持熱平衡狀態，造成測量值與真實值存在偏差。另外，也存在現場溫度變送器表頭測量值與參與標準狀況流量運算的溫度存在差異，這也是引起計量誤差的主要原因之一。根據公式(8)運算可知，參與運算的工況溫度越低，則計算的標準狀況流量就會越大。

 

此外，溫度壓力信號在傳輸過程中也會受到電路、機械等因素干擾而影響計量準確度。王森研究了溫度補償對氣體超聲波流量計精度影響，引入改進型時差法計量算法消除因溫度壓強波動引起的信號速度的變化對流量測量的影響。

 

某輸氣站采用在線色譜分析儀檢測天然氣組分，當上游管道同時注入中緬天然氣和中亞天然氣，由于兩種氣質組分差異較大，造成天然氣組分異常波動，由于流量計算機來不及加權計算，出現了理論聲速與實際聲速偏差較大的現象。

 

2. 5 流場適應性與超聲換能器安裝效應

聲道布置、管道走向、調節裝置、管道內壁粗糙等因素都會導致流場出現非理想分布，進而引發流量計量出現偏差。Pamela I Moore 等人利用數值計算的方法推導出管道流場的速度分布，并用實驗驗證了理論推導可以再現實際流場狀態，因而完成了多聲道流量計的權值計算。周圍通過對管道流場的流速分布研究發現，層流流場的速度分布較為規則，而湍流流場的速度分布主要取決于雷諾系數。鮑敏也研究了管道內壁不同粗糙程度對流場分布的影響，表明超聲波流量計對流場的變化十分敏感，湯卓遠通過對多聲道氣體超聲波流量計流場補償關鍵技術研究提出了基于回歸分析的流場補償算法減小非理想分布流場對計量系統的影響。換能器的安裝位置、角度以及聲道幾何布置都會對超聲波流量計測量精確度造成影響。目前常用的為四聲道超聲波流量計，聲道布置可分為對角式和平行式兩類。周圍通過研究多聲道超聲波流量計檢測機理及數值模型，得出結論，若無法準確確定安裝角度，采用對角式聲道布置的測量精度將優于平行式聲道布置。

 

3 控制措施

3. 1 降噪處理

安裝流量計時要盡量與調壓閥、節流閥等噪聲發生器保持安全距離。調節閥應安裝在流量計下游。在使用中應盡量避免在流量計周圍產生與超聲波同頻率段的噪聲，以免與信號處理單元、超聲換能器發生共振，影響計量精度。開關流量計前后閥門時要全開全關，緩開緩關，避免產生大的壓力波動，沖擊管道內壁而產生噪聲。

 

3. 2 減少臟污堆積

一般在超聲波流量計前應安裝過濾分離器，去除天然氣中的污物。在運行過程中，應實時關注天然氣水露點和聲速，避免在探頭處形成水合物。同時可利用在線診斷工具進行監測，根據運行情況，定期對超聲波流量計探頭、表體進行清潔保養。若發現流量計表體腐蝕嚴重，則重新進行檢定。

 

3. 3 減小壓力、溫度誤差

減小壓力和溫度誤差，shou先要確保變送器實際工作范圍在量程的 10% 以上。定期對壓力、溫度傳感器進行維護保養和檢定，將現場變送器表頭測量值與參與計量的壓力和溫度進行對比，確保變送器與流量計算機通訊正常。對壓力傳感器做防曬處理，定期進行零點校準。對溫度傳感器保護套管進行清潔，定期更換導熱油。

 

3. 4 減小氣質組分的影響

在計量系統內安裝在線色譜分析儀，采集在線氣質組分將很大程度上減少組分對計量精度的影響。同時要加強在線色譜儀維護保養，確保樣氣、標氣、載氣壓力滿足要求，標氣、載氣在有效期內，純度達到要求。定期對在線色譜儀進行手動標定，確保分析數據準確，否則錯誤的天然氣組分會引起較大的計量誤差。必須使用手動輸入組分時，要盡量采用與實際氣質組分相近的數值，并實時更新。

 

3. 5 正確選型與安裝

選用多聲道超聲波流量計時，應結合實際應用，綜合考慮流量計的精確度、量程和聲道布置方式。**好選用與實際流量范圍相符的流量計，實行連續分輸。盡量選用性能更穩定、計量精度更高的超聲波流量計運行，以減小計量誤差。流量計安裝過程中，要確保前后直管段的距離滿足要求，必要時可安裝合適的整流器。GB/T 18604 － 2014 對超聲波流量計上下游管道安裝做了要求。日常運行中，要盡量減少改變流場形態的操作。比如開關流量計前后閥門等。此外，流量計的離線檢定、運輸、安裝過程都會影響流量計精度，建議采用在線檢定技術對超聲波流量計進行檢定。

 

某輸氣站通過對現有計量流程改造，實現了三臺在用超聲波流量計的比對流程。通過比對分析，進口超聲波流量計精度高于國產超聲波流量計。在日輸氣量為(1. 0 ×10 7 )m 3 情況下，計量誤差可高達(3. 0 ×10 4 )m 3 ，兩臺同型號的國產超聲波流量計計量誤差也達(1. 5 ×10 4 )m 3 。

 

3. 6 加強流量計的監測和維護

采用流量計配套的自動診斷系統，對流量計系統進行在線診斷，聲速核查，確保各聲道聲速偏差不大于0.5m/s，理論聲速與實際聲速偏差不大于0.2%。觀察效率因子，接近 100%，瞬時流量穩定，增益值穩定。當增益值明顯升高時，說明信號接收強度開始減弱。計量系統任何組成單元的運行狀況偏差都會影響計量結果的準確性，需要定期對氣質分析儀、壓力變送器、溫度變送器、流量計、直管段等進行維護、檢定。分析檢定曲線，判斷設備的運行狀況，提高計量精度。