影响超声波流量计计量准确性的因素与对策

2017-06-23聂文

石油化工自动化 2017年2期

关键词：变送器准确性超声波

聂文

(中石化天然气有限公司榆济管道分公司，山东济南 250000)

影响超声波流量计计量准确性的因素与对策

聂文

(中石化天然气有限公司榆济管道分公司，山东济南 250000)

超声波流量计作为天然气计量领域的常用计量器具，其计量的准确性直接关系着管输企业的经济效益。从超声波流量计工作原理和现场应用环境、条件出发，对其影响因素进行了分类研究，并确定了主要因素，根据影响因素的特点分析探讨了改善其计量性能相应的对策，以保证超声波流量计的计量准确性，使超声波流量计在现场得到更好的应用。

超声波流量计计量准确性因素对策

天然气长输管道具有运行压力高、输气量大、输送距离长的特点，在天然气贸易交接方面对流量计的准确性要求较高。气体超声波流量计具有量程比宽、压力损失小、无可动部件、适用于大口径管道等特点，较好地满足了天然气长输管道的计量需求，在中国天然气长输管道领域得到了广泛应用。超声波流量计量系统与其他计量仪表一样，在实际的生产应用中会受到各种因素的干扰，因而影响仪表计量的准确性。

1 超声波流量计工作原理

超声波流量计为独立测量设备，由多个位于管线内壁的超声传感器组成。传感器由紧固机械装置插入管道中，超声脉冲被2个传感器交替地发射和接收。由于超声波在逆流和顺流情况下的传输时间tu和td不同，通过时差法可以计算得到流体流速，工作原理如图1所示。超声波流量计还可以配置成双向计量模式，精度不变。

图1 超声波流量计工作原理示意

当顺流传播时，超声波传输时间为

td=L/(C+vcosφ)

(1)

当逆流传播时，超声波传输时间为

tu=L/(C-vcosφ)

(2)

由式(1)，(2)联立推导出流体流速和流量的计算公式如下：

(3)

qV=vA

(4)

式中：C——超声波在静态气体中的声速，340m/s;qV——流体在管道中的工况流量，m3/h；A——管道横截面积， m2；v——气体的流速，m/s。

标准状况下瞬时流量为

(5)

式中：qVn——标准状况下瞬时流量，m3/h;qVf——工作状况下瞬时流量，m3/h;pn——标准状况下绝对压力，MPa，其值为0.101 325 MPa；pf——工作状况下绝对压力，MPa；Tn——标准状况下热力学温度，K，其值为293.15 K；Tf——工作条件下热力学温度，K；Zn——标准条件下压缩系数；Zf——工作条件下压缩系数。

2 天然气超声波计量系统的组成

气体超声波流量计量系统一般由压力变送器、温度变送器、超声波流量计、气体组分分析仪以及流量计算机等五部分组成。压力、温度变送器采集实时的压力、温度信号，超声波流量计本体是整个计量系统的核心部分，通过测量计算天然气的流速进而得到天然气的工况流量，气体组分分析仪通过分析气体的组分以确定天然气的压缩因子，流量计算机将采集到的压力、温度、工况流量、气体组分信息进行运算分析，得到标准状况下的气体流量，并保存相应的流量历史数据。

3 影响超声波流量计量准确性的主要因素

超声波流量计量系统计量的准确性既与超声波流量计本体有关，也和压力、温度测量仪表、色谱分析仪以及流量计算机等设备的可靠性有直接关系。此外，在员工操作、环境影响、设计选型、设备安装等方面也会一定程度影响超声波流量计量的准确性，其影响因素复杂多样。超声波计量系统计量准确性影响因素关联关系如图2所示。

在实际生产应用中，对超声波流量计量准确性造成较大影响的主要是噪音、天然气杂质、气体组分分析以及压力、温度测量这四个方面。

图2 超声波计量系统计量准确性影响因素关联示意

3.1 噪音

天然气输气站场中由于气流速度快，弯头、阀门等各类阻流管件的存在，会产生一定的噪声，在计量装置设计和安装的时候已经充分考虑。但是现场因为工况条件的变化，如流量、压力和温度等，压缩机不同功率下的噪声震动等不能预见的各类因素产生的噪声仍然使超声波流量计在现场使用过程中受到噪声的影响。超声波流量计对降压元件产生的噪声尤其敏感，甚至有些低噪声阀门比调压阀对超声波流量计产生的影响还要大，这是因为采用了低噪声技术的阀门将噪音频率调整至人耳听力不敏感的高频范围(20 kHz)以上，该频率范围恰好与超声波流量计超声频率重合，对超声波流量计造成较大影响。

3.2 天然气杂质

天然气流过超声波流量计时，水、硫化铁粉末等杂质逐渐堆积在流量计表体管道内或超声波探头上，都会影响超声波流量计的准确度，附着在超声波探头表面的杂质缩短了超声波在管道内的传输时间，影响了超声波探头的敏感性，同时由于杂质的附着，计量撬的上游直管段表面粗糙度变化或整流板堵塞引起气体流态发生变化，从而影响流量计的准确度和稳定性。实验研究表明：脏污可对某些流量计流量输出带来0.3%或更大的偏差。

3.3 气体组分

根据超声波流量计量系统工况流量与标况流量的转换公式可知，在天然气贸易计量中需要利用压缩因子将天然气的工况流量转换为标况流量，而工况下的压缩因子则需利用气体分析设备，如色谱分析仪等分析结果计算获得。气体组分检测是否准确及时，直接影响着超声波计量系统的计量准确性。在实际生产中，部分场站的气体分析设备未接入流量计算机，失去了气体分析设备的主要作用，同时在未配备气体分析设备的场站也存在着气体组分更新不及时现象，在多气源的计量站，影响更为明显。实验研究发现：由于输气干线组分变化造成超声流量计的标准参比条件下体积流量偏差最高可达0.6%。

3.4 压力和温度的测量

根据超声波流量计工作原理可知，压力温度测量是否准确直接关系着标况流量的运算是否准确。在现实应用中，虽然压力变送器可在其铭牌标明的工作温度范围内正常工作，但室外裸露环境中的压力测量值与进行了防晒保护的压力变送器测量值的差值可高达18～20 kPa。温度变送器在现场应用中也会出现保护套管中存在金属杂质、沙子等现象，使测温元件不能及时与天然气达到热平衡，导致实测温度值偏低，计量结果偏大。因此，保证压力和温度测量仪表的准确、可靠是确保超声波流量计计量系统的准确度非常重要的方面。

4 解决措施与对策

4.1 保证工艺安装符合相应技术要求

对于未建场站，应充分考虑流量计前后直管段长度，评估调压阀产生的噪声对流量计的影响，谨慎选用“无噪”阀门和消声器。对于已建场站，因流量变化导致调压阀噪音变化的可考虑利用调压阀前后的节流截止阀分级调压，降低噪音频率，或者改变噪音传播通道，利用调压计量间的汇管、弯头等增加噪音损耗。条件允许时，可进行工艺改造，在流量计前加装流量调整器，将调压阀调整至流量计后，以消除噪音影响。

4.2 加强超声波流量计的检测与维护

超声波流量计具有自诊断功能，目前绝大部分超声波流量计均配备有专业的诊断软件，可对流量计的声速、流速、信噪比、采样率、增益值等关键参数进行监控分析。现场技术人员可利用专业诊断软件定期对流量计进行运行分析，判断流量计工作状态是否良好，掌握换能器脏污情况，制定换能器清洗周期，如流量计内部腐蚀严重，应及时重新进行检定。

4.3 及时更新气体组分

在多气源场站或者输气量较大的场站建议配备色谱分析仪等气体分析设备，并将分析数据实时传入流量计算机，以保证流量计算机所测组分为管道内天然气的实时数据，同时要加强色谱分析仪的维护，定期利用标气对在线色谱仪进行标定。对于未配备气体分析设备的场站要根据离之最近场站的组分分析数据及时进行更新，以最大程度保证其压缩因子计算的准确性。

4.4 保证压力和温度测量的准确性

在超声波流量计使用过程中，应对压力和温度测量值进行现场核查。可使用压力、温度变送器的手操器核查流量计算机内的压力、温度变送器示值误差是否符合精度等级的要求，当发现不满足时应及时更换或者及时送检和校准。同时，对于压力变送器可设置遮阳棚，防止温度变化对其零位的影响，对于温度变送器应定期添加导热油，检查保护套管内是否有无杂质，防止温度传输的迟滞。

5 结束语

随着天然气工业的迅速发展，超声波流量计在天然气流量计量领域的应用将会变得越来越广泛，影响其计量准确性的因素将会随着超声波流量计在不同条件下的应用变得越来越复杂多样，这就需要现场使用维护人员深入分析现场流量计的运行工况，不断积累现场应用经验，科学制定相应对策，只有这样才会进一步提高超声波流量计的计量准确性。

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