外夹式气体超声波流量计的应用

2013-10-31杨建温亚丽罗扬锋

石油化工自动化 2013年3期

关键词：换能器超声波计量

杨建，温亚丽，罗扬锋

(中国石化股份有限公司中原油田分公司技术监测中心，河南濮阳 457001)

外夹式气体超声波流量计的应用

杨建，温亚丽，罗扬锋

(中国石化股份有限公司中原油田分公司技术监测中心，河南濮阳 457001)

介绍了外夹式气体超声波流量计在普光气田的试验与应用情况，与均速管流量计进行了比对测试，对测点的选择、管道参数的测量、气体组分及压缩因子的计算、换能器安装及比对测试的方法等进行了总结，并对测试中易出现的问题及对策进行了探讨，为外夹式气体超声波流量计在线比对技术在普光气田的应用积累了经验。

超声波流量计均速管流量计在线比对

普光气田净化厂联合装置的原料气和产品气计量采用均速管流量计，为保证计量的准确性，应定期对其进行检测。由于均速管流量计是一种插入式流量计，拆表外送检验，从技术上和实际操作上难度很大，自2010年投产以来从未进行过周期检定。为解决这一难题，中国石化股份有限公司中原油田分公司技术监测中心采用外夹式气体超声波流量计对该联合装置的均速管流量计进行了比对测试，取得了较好的效果。

1 外夹式气体超声波流量计原理

外夹式气体超声波流量计采用数字式多脉冲时差技术，每声道的两个宽束超声波换能器，互为发射和接收。超声波首先由发射换能器发出，穿过管壁和介质，经对面管壁反射后再次穿过介质和管壁被接收换能器接收，完成发射和接收的过程。该流量计利用高精度和稳定的数字相位检测回路来测量每一方向(顺流和逆流)的声波到达时间，并能分辨±100ps内的相关超声波的传输时间差。利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流速，然后根据管道截面积算出流体工况下的体积流量。

由于气体的可压缩性，通常使用标准体积单位来表示体积流量，这就需要流量计对天然气工况体积动态补偿，转换为标准状态下的体积。因此，流量计需要输入工况操作温度和压力，通过输入气体压缩因子或是通过内置表格计算表补偿修正标准体积。

2 现场比对测试步骤

外夹式气体超声波流量计体积小、功能齐全、操作简便，测量精度达±1.0%，其多组换能器适用大多数金属管及塑料管，适用管径范围为50～700mm，管壁厚度为2.0～31.8mm，被测介质压力不低于0.7MPa。为了降低在线检测比对的误差，应遵循以下操作步骤，尽量减少人为因素造成的测量误差。

2.1测量点的选择与管道参数的测量

正确选择测量点和准确地测量管道参数是减少附加比对测试误差的前提条件。为此必须注意以下两点：测量点应选择在管道上游至少10倍以上、下游5倍以上管径长度的直管段上，测量点处应无焊缝、无振动及无电磁干扰源等；由被测单位提供测试管道设计参数，现场对管道外径及壁厚进行复核，为减小误差，管道外径及壁厚应进行多点测量后取其平均值。

2.2安装换能器

将管道外径、壁厚和管道材质数据输入流量计主机，主机根据输入的管道参数，推荐出所安装换能器的型号、安装方式和安装间距。与液体超声波流量计相比，气体超声波流量计测量信号更容易受到噪音信号干扰，如果信噪比在10∶1以下，就无法准确测量。因此，在固定换能器前，为减小管道噪音信号对测量结果的影响，应在管道外壁粘贴气体耦合剂薄膜，贴时应尽量减少气泡的产生，如产生气泡应将气泡弄破，释放出气体。

2.3气体参数的设置

由净化厂提供气体的组分、比热率、黏度和被测点气体的温度、压力等可靠数据。组分用于计算气体理论声速和压缩因子；比热率用于计算气体的平均密度；黏度用于进行流态补偿计算。该流量计可以通过输入固定的压缩因子或是通过内置表格计算来修正标准体积。现场温度、压力如果变化不大时，可以输入固定值；如果变化较大，该流量计提供了4个模拟信号输入通道，可以对温度、压力模拟信号定义后，实时采集温度、压力信号，将工况条件下的体积流量转换成标准状态条件(p=101.325kPa，t=20℃)下的体积流量。该流量计在设置完成后可以显示出测量的声速，然后利用内置表格计算出管道内气体理论声速。如果测量声速和理论声速接近，表明流量计设置、安装正确，可以开始流量测试；反之，则需要重新设置、安装。

2.4在线比对测试结果

所有参数设置安装完成后可以进行流量测量。为便于现场测试数据和DCS的流量数据进行在线比对，将外夹式气体超声波流量计主机时钟按照DCS时钟进行校准，由流量计主机自动记录测试时间和测试结果。

外夹式气体超声波流量计经过了国家石油天然气大流量计量站南京分站的实流检定，准确度等级达到了1.0级。为进一步验证其现场测试精度，首先在普光分公司外输天然气计量撬管线上进行了测试，与外输超声波流量计进行了比对，数据见表1所列。

表1 净化厂外输计量撬流量比对测试数据

从表1中可以看出，两次测量的相对误差均未超过±1.0%，说明选用该流量计精度符合现场测试要求。利用该流量计先后对净化厂的6套联合装置的原料气和产品气共18个流量测量点的均速管流量计进行了在线比对测试，数据见表2所列。

表2 净化厂联合装置均速管流量计比对测试数据

对表2测试结果进行分析，18台均速管流量计中误差最大的是六联合一列的原料气，相对误差为-51.22%；误差最小的是三联合一列原料气，相对误差为0.27%，有15台均速管流量计误差超过了±3.0%，说明该种流量计在长时间运行后其计量精度降低，不适用于普光气田净化厂天然气流量计量。

3 比对测试中的注意事项

为确保该流量计的在线测量精度，在测试过程中需要注意以下几点：

1) 不同型号的流量计换能器所适用的管道外径、壁厚和被测的介质最低压力等数据是不同的，要确保提供的参数在其适用范围内；另外，管道外径与壁厚比大于15时性能最佳，小于5时测量效果会变差。

2) 测试现场的温度、压力在测量过程中是否稳定，将影响测量精度。根据气体状态方程可以估算出：温度相差1℃，流量测量结果相差约 0.3%；压力相差0.1MPa，流量测量结果相差约1.3%。

3) 信噪比大小对测量结果有较大影响。如果信噪比在10以下，就无法得到准确的测量数据。该测量现场主要有两种测试环境：碳钢管线中脱水后的净化天然气；不锈钢管线中含H2S和CO2体积分数较高的酸性原料气。碳钢管线净化天然气信噪比可以达到35以上，现场较好测量；不锈钢管线天然气信噪比较低。为抑制管道中噪音信号，提高信噪比，需要在测量管道外壁粘贴气体耦合剂薄膜。

4) 换能器的安装条件及安装精度影响最终的测量结果。安装换能器时，管道外表面应去除保温层、去漆，锈迹应砂平，耦合剂应粘贴涂匀，不能有空隙，否则声波会在固气界面上发生折射，无法传到被测流体。为确保流体所需的流速分布，换能器前后要有足够长的直管段，而且上游30倍管径长度内的管段上不能安装有泵、阀等扰动设备。换能器安装时应避开管道的焊缝及连接处，安装在倾斜和水平管道上时，不应安装在上部或底部，应安装在管道截面九点至十点方位，完全接触管壁使超声波传播顺利通过管道中心。