应用声速核查延长超声波流量计标定

孙 婧，王春升，任天翼，尚 超, 张 颖, 晏莉筠

(1. 中海石油研究总院，北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

随着我国经济的高速发展，天然气的需求量愈来愈大，天然气贸易交接计量的重要性也日益突出[1]。超声波流量计以其量程大、精度高、重复性好、压损小、无可动部件、使用寿命长等优点，已成为天然气贸易交接中的主流计量器具。尤其是在大口径、大流量、高压力的天然气外输计量中，气体超声波流量计的优势尤为明显。

在超声波流量计广泛应用于天然气贸易交接计量的同时，也存在着一些问题。依照相关标准的要求，贸易交接计量器具必须定期依法进行鉴定、监督和管理。而在海洋平台上，天然气外输计量系统没有在线标定的系统及相关装置，无法在现场进行相关标定。这就意味着，必须将超声波流量计进行拆除并送至陆地标定站进行标定，大量消耗人力、物力、财力，并影响正常生产运行。JJG 1030—2007[2]规定：如果超声波流量计具有自诊断功能且使用中检验合格，其检定周期可由2年延长到6年。这将大大降低超声波流量计检定的复杂性。

本文将以美国气体工业联合会(AGA)标准AGA Report No.10—2003[3]和JJG 1030—2007[2]中的相关要求为依据，介绍声速核查功能在延长超声波检定周期中的应用，并以PY34-1项目天然气外输计量系统为例，介绍这种应用在海上平台实施的可行性。

1 天然气计量系统现状及存在问题

1.1 天然气计量系统的流量计选型

天然气作为一种优质的清洁能源，已经越来越多地被人们所利用。随着使用的日益广泛，其计量问题也越来越受到人们的重视。对于天然气的贸易计量，目前主要可以使用的流量计有涡轮流量计、孔板流量计、腰轮流量计、质量流量计和超声波流量计[3]。

气体超声波流量计是一种速度式流量计，其在天然气计量中的应用很广泛。在各种超声波流量计中，多声道式气体超声波流量计的优势最明显，其测量的准确度可以达到0.5%，量程范围宽，通常可以达到100∶1以上，可以在相同的准确度下实现双向测量，可以测量脉动流。该流量计无内阻流件，无可动部件，后期维修工作量小，零压损，对管路的特性无干扰，属于节能型仪表。超声波流量计的这些优势在大口径、大流量、高压力的天然气计量中尤为明显。

1.2 流量计的标定

天然气的计量系统没有在线标定装置，不能完成流量计的现场标定工作。依照国家相关标准及计量检定规程中的要求，流量计需要定期进行检定。表1为相关标准对流量计标定周期的要求。

表1 流量计标准及检定周期要求

由于空间和成本的因素，海上油气生产设施通常布局紧凑，流量计的拆除及搬运比较困难。将流量计送至陆地标定部门进行标定，还要安排运输船及车辆负责运送流量计至检定部门，费时费力。国内能够满足大流量、大口径、高压力工况的标定站仅有大庆(标定车)、南京(中石油)、华阳(中石油)等几家。标定流量计还需提前预约及排队，并且标定费用昂贵(单台每次标定费用大约为50 000元人民币)。如果检定周期较短，将大大降低流量计可用性，增加使用成本。

2 超声流量计标定方法及要求

2.1 超声流量计的测量原理

时差法超声流量计是利用超声波在气体中沿顺流传播和沿逆流传播的时间差与气体流速成正比这一原理来测量气体流量的[8-9]。其工作原理如图1所示。

图1 时差式气体超声流量计工作原理Fig.1 Principle of time-different-type gas ultrasonic flowmeter

气体超声流量计的换能器A和B装在管道两侧，超声波的声程长度为L，超声波传播的方向与流体在管道中的流动方向夹角为θ，超声波在流体中的顺流传播时间为tD，逆流传播时间为tV，

(1)

(2)

式中:c为超声波在静止流体中的声速；V为流体介质的流动速度。

由式(1)和式(2)可得

(3)

式中：X为换能器A和换能器B在水平方向上的距离。

从式(3)可以看出，气体的流速测量与介质的声速无关，只与长度和时间两个参数有关。

2.2 超声流量计的标定及检验

对于超声流量计的标定，目前国内是按照JJG 1030—2007[2]执行的。对于流量计来讲，分为型式评价、首次检定、后续检定和使用中检验。

对于某准确度等级，流量计在qt≤q≤qmax的流量范围内，其最大允许误差应符合表2的规定在qmin≤q≤qt的流量范围内，最大允许误差不超过表2规定的最大允许误差的2倍，qt对应的流速应不大于3 m/s。流量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的最大允许误差绝对值的1/5。

表2 超声流量计准确度等级及最大误差要求

对于工作压力在0.4 MPa及以上的流量计，管道内气体的压力不低于0.1 MPa，并尽量使其与实际使用条件一致。在检定过程中流量计应在可以达到的最大检定流量的70%～100%范围内运行，并运行至少5 min，待流体温度、压力和流量稳定后方可进行正式检定。

对于检定合格的流量计发给检定证书，对于使用中检验的流量计发给检验报告。对于流量计的检定周期一般不超过2年。

3 利用声速核查功能延长流量计标定

在JJG 1030—2007[2]中有相关描述，“对于插入式流量计，如流量计具有自诊断功能，且能够保留报警记录，也可每6年检定一次并在每年使用中现场进行使用中检验。该标准的《附录C使用中检验》中指出，对超声流量计使用中检验包括以声速比较为基础对流量计的在线检验方法，使用的标准器设备包括声速测量标准器、温度计、压力表和计算软件。通过在线测量温度，利用推导出的数学方程式，由温度计算出声速，与流量计显示的声速比较，可以验证流量计工作的状态是否正常。

3.1 声速核查的原理

声速核查的理论依据比较成熟。AGA Report No.8—1994[10]提出AGA8-92DC计算方法：管输天然气的容量性质可由组成来表征和计算。将天然气组分、压力和温度用作计算的输入数据，利用相应的方程可以计算出管道天然气的压缩因子。计算出压缩因子之后通过AGA Report No. 10—2003[3]提出的天然气声速计算方程，便可精确计算出超声波在天然气中的传播速度，并参照超声流量计检定规程，首先对流量计状态进行检验，确认无误后，用此理论声速与超声流量计实测得的声速进行对比实现检验。

声速的基本关系式可以表示为[11]

(4)

式中：Cv和Cp是定容和定压条件下的气体热容；Mr为天然气摩尔质量；R为气体常数；T为工况温度；ρm为气体摩尔密度；Z为天然气压缩因子。Cv和Cp的计算关系式如下：

(5)

(6)

3.2 声速检验的操作方案

声速检查之前，首先应对被检流量计和其配套使用的测量设备进行检查，包括温度变送器、压力变送器、色谱分析仪、流量计算机及超声流量计本身。

在实际实施声速检验工作中，配合检定机构使用专有软件与流量计算机及流量计通信，获得实时工况温度、压力、组分及超声流量计实际内部计量参数，通过检查这五种设备的工作状态来判断是否计量设备乃至于整个计量系统是否工作正常。

当上述检查工作均满足要求，并且确认所有仪表处于正常工作状态后，可以进行在线声速检验工作。具体方法如下。

(1) 使用专有软件与流量计算机建立通信，进入流量计算机自诊断功能模块，提取当前流量计量系统中“某一时刻”的实时温度、压力、组分、流体流速、声速等在线声速检验所需参数。

(2)使用专有诊断软件与流量计建立通信，使用软件中自诊断功能收集流量计所有当前运行参数，包括上述用于状态检查的参数及用于声速检验的参数等。

(3)将从流量计算机中提取出来的实时数据输入到AGA Report No. 10—2003[3]相应方程中，计算出当前工况条件下的理论声速。

(4)依据JJG 1030—2007附录C中“流量计每个声道的声速值的偏差及总的声速值与计算的声速值的偏差应不大于流量计说明书的规定值”的要求[2]及被检流量计制造商关于流量计的技术规格对流量计进行在线声速检验。

(5)对于流量计：每个声道的声速与流量计平均声速差值最大不超过流量计最大允许误差的1/3，流量计平均测量声速值与理论声速值之间的偏差应小于流量计允许误差的1/2。

如果检验结果合格，则判定流量计可以继续使用。如果不合格，应提醒用户，对流量计进行相应的维护工作，从而保证流量计能够准确计量。

4 声速核查功能应用实例

超声波流量计声速核查的相关国际标准AGA Report No. 10发布于2003年，而国内的相关标准JJG 1030发布于2007年。声速核查的功能目前在陆地天然气计量的项目中已经有一定的应用，目前所了解到的西气东输项目、上海城市管网、中亚管道霍尔果斯站、福建液化天然气(LNG)项目等，都已成功地应用该功能延长了流量计的标定周期。超声流量计的声速核查功能在海上油气生产设施中应用较晚，并且数量较少。中海油某气田项目是第一个将该功能应用在自营气田天然气计量系统上，用以延长流量计标定周期的项目。

该项目的天然气外输计量系统由2台口径为10英寸(1英寸=2.54 cm)，计量能力为100%×2的体超声波流量计组成，系统压力等级为900磅力(1磅=453.6 g)，最大工作压力12 500 kPa(表压)，最大流量为253 000 Sm3/h(1 Sm3/h即20℃，1个标准大气压下1 m3/h)天然气计量系统PID图如图2所示。

图2 某项目天然气计量系统PIDFig.2 PID diagram of natural gas metering system of a project

系统配置了2台流量计算机、温度及压力变送器、1台烃水露点仪、1台气相色谱分析仪。流量计所测量的流量信号以脉冲信号进入流量计算机，同样现场的温度压力信号也接入流量计算机进行补偿计算，流量计算机将相关流量信息及诊断信息的参数通过以太网送至计量系统操作站，并由专用软件完成数据记录管理等工作。色谱分析仪的信号，一路送至流量计算机，一路送至计量系统操作站，用以完成相关数据的记录及计算。

通过专用的管理及监控软件，系统可以提供以下诊断数据：(1)被检流量计每个声道的瞬时声速值；(2)取样时间内每个声道的平均声速值；(3)被检流量计在取样时间内的总平均声速值；(4)顺流及逆流的传输时间；(5)被检流量计每一声道的流速值；(6)通过流量计的平均轴向流速；(7)取样气体的体积分数；(8)取样时间内管道内温度、压力信号的平均值。

在该项目超声波流量计的声速核查过程中，在流量计测量流量点下，各声道测得的管道内流速在正常测量范围内。声速测量检查结果如表3所示。

表3 某项目声速核查结果

从在线检验的结果可以看出，该流量计声速测量值和计算理论测量值的偏差小于0.1%，而该流量计规定的最大允许偏差为0.2%，满足JJG 1030—2007[2]中“对于被检流量计，每个声道的声速值的偏差及总的声速值与计算的声速值偏差不大于流量计说明书的规定值”的要求。

应用该套系统，可以最大程度地节省流量计标定所需的拆装及运输所需的人力及经费，提高了系统的可用性，降低了使用成本。目前该系统运行稳定，一切工作正常。

5 结 语

对于大口径、大流量、高压力天然气外输计量来说，应用超声波流量计已经逐渐成为一种主流的发展趋势。超声波流量计在该工况的优势相较其他流量计尤为明显，且在运用声速核查功能以后能够延长流量计的标定周期。在以后的设计中，相信声速核查功能将使超声波流量计愈发广泛地应用于海上平台的天然气外输计量，并且成为外输计量系统的固定配置。

[1] 苏亦儒.天然气声速计算方法及其在超声流量计的应用[J]. 科技信息，2013(6)：507.

[2] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 1030—2007. 超声流量计检定规程[S]. 2007.

[3] American Gas Association. AGA Report No. 10—2003. Speed of sound in natural gas and other related hydrocarbon gases[S]. 2003.

[4] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 633—2005. 气体容积式流量计检定规程[S]. 2005.

[5] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 1037—2008. 涡轮流量计检定规程[S]. 2008.

[6] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 1038—2008. 科里奥利质量流量计检定规程[S]. 2008.

[7] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 640—1994. 差压式流量计检定规程[S]. 1994.

[8] 王江景.天然气流量计量技术的发展[J]. 中国计量，2006(z1):9.

[9] 张涛，蒲诚，赵宇洋.传播时间法超声流量计信号处理技术进展述评[J]. 化工自动化及仪表，2009，36(4):1.

[10] American Gas Association. AGA Report No.8—1994. Compressibility factor of natural gas and related hydrocarbon gases [S].1994.

[11] 吕几凡，程佳，李东升，等.管道天然气超声流量计在线检验系统设计[J]. 传感器与微系统，2011，30(8):104.