新型多管路超声波流量计量撬的研制与应用

常艳兵，胡连锋

(中国石油工程建设有限公司 西南分公司，四川 成都 610041)

近年来，随着国民经济的飞速发展，以西气东输、陕京一线及二线、川气东送为代表的天然气管道陆续建成，并投产运行，超声波流量计被广泛应用于管道的天然气计量中，在高压力、大口径、大流量天然气计量中充分发挥了优势，并得到计量交接双方的认可[1-4]。天然气流量计计量结果是供需双方贸易结算过程中的一项重要的依据，计量结果的准确性，保证了贸易结算的公平，也能避免贸易交接过程中出现的计量纠纷，并在一定程度上降低了生产成本，提高了社会、经济效益。因此，研制与设计一套合理的天然气计量系统尤为重要。

1 天然气计量系统的构成和选型

1.1 天然气计量系统构成

天然气计量系统通常由计量仪表、工艺系统、控制系统三部分构成。

1)计量仪表。通常由流量计、相应配套的流量计算机、压力变送器、温度变送器、组分分析仪表等构成。

2)工艺系统。通常由装置前部入口汇管、后部出口汇管、并联的流量计管路上的阀门、流量计前后直管段、流动调整器等构成。除在线水露点测量仪、在线硫化氢测量仪、在线色谱分析仪、流量计算机外，计量仪表均在工艺系统上安装。

3)控制系统。主要完成数据采集、流程切换、计量系统自动阀门控制、计算机处理等功能，计量控制系统利用流量计配套的流量计算机对压力、温度、流量、组分等信号进行采集，并上传计量数据至站场控制系统[5]，最后通过站场控制系统将控制数据、计量数据等上传至控制中心。

1.2 天然气计量系统的选型

1.2.1 流量计选型

目前，天然气计量系统中使用的流量计类型包括超声波流量计、涡轮流量计、质量流量计、标准孔板流量计、罗茨流量计、旋进旋涡流量计。流量计选型时要结合流体特性、仪表性能、安装条件、经济因素和环境条件等几个方面综合考虑。不同类型流量计的对比见表1所列。

表1 不同类型流量计对比

1.2.2 超声波流量计和涡轮流量计对比

在天然气贸易交接计量中，超声波流量计和涡轮流量计是最常用的两种类型。为了便于对比，选用口径均为DN80的两种流量计，从测量原理、测量范围等方面对两者进行了对比，对比结果见表2所列。

表2 超声波流量计和涡轮流量计对比

续表2

从表2中可以看到，超声波流量计与涡轮流量计相比，在工作原理、试验室精确度、重复性、温压补偿、直管段安全要求等方面具有相同点；而超声波流量计具有始动流量较小、压损小、无需定期维护、无机械磨损等方面的优点，应用更为广泛。

1.2.3 天然气计量系统撬装

天然气计量撬是指将系统中的仪表、设备及管线，采用对应的管托、管架作为支撑，并固定在整体的一个钢结构平台上，构成整体的集成装置。撬装设备在撬厂制造完成后，运抵现场，对基座进行安装，并连接与上、下游管道，配电电缆、信号电缆分别接至撬内接线箱、配电箱后，方可投入使用。天然气计量系统组撬时，要充分考虑工程投资、工程计量精度、现场地址条件、运输条件、安装条件等的要求。

2 新型多管路超声波流量计量撬的设计与研制

2.1 设计思路及主要技术指标

通过前文分析，与传统的流量计相比，超声波流量计能较方便地实现非接触性测量，具有不改变流体状态、安装维修方便、不受管道口径限制、适合于各种管径的测量等诸多优点，是目前天然气贸易交接计量过程中，最常用的流量计。按照测量原理划分，超声波流量计的测量原理分为频差法、相位法和时差法，其中时差法准确度高，抗干扰能力强，应用最为广泛。

在实际工作过程中，处在上、下游的换能器将同时发射超声波脉冲，1束脉冲信号为逆流传播，另1束脉冲信号为顺流传播，气流的作用将使2束脉冲以不同的传播时间到达接收换能器。由于2束脉冲传播的实际路程相同，因此传输时间的不同直接反映了气体流速的大小，通过测量超声波在逆流和顺流时的传输时间，获得各声道天然气的流速和声速，按照不同声道的加权值对气体流速平均，经修正后获得天然气平均流速，并以此为依据，计算天然气在工况和标况的体积流量。

传统的多管路超声波流量计在使用过程中由于混合不均匀，导致超声波流量计误报、现场安装速度慢、质量难以保证等缺陷的产生，在一定程度上影响了超声波流量计的计量精度。为克服现有技术中的缺点，提供了一种新型多管路超声波流量计量撬。

新型多管路超声波流量计量撬应充分结合国内当前和近期可能达到的校验能力要求，要满足相关计量精度和设计负荷要求，还要考虑采购过程、校验过程、运行、维修成本等因素。在已建和在建天然气管道中，比较常用的超声波流量计口径规格有DN100，DN150，DN250，DN300，DN400。为校验方便，优先选用口径不大于DN400的流量计，综合考虑成撬后的运输便捷性和在线校验的可行性，单撬建议不超过5路，超声波计量管流速设计上限宜控制在25 m/s以内[6-7]。

该次新型多管路超声波流量计量撬应用的工况条件为： 计量介质为天然气；工艺系统设计压力为10 MPa；工作环境温度为-20～60 ℃；工况流量3.0×103～2.5×105m3/h；进口、出口管路直径为DN300；防护等级优于IP65；防爆等级优于Exd IIB T4；由A，B，C，D，E共5个模块拼接而成，拼接后总体尺寸为25.5 m×15 m×4 m。

2.2 组成及结构

新型多管路超声波流量计计量撬装置，主要由超声波流量计、温度/压力测量仪表等组成，系统结构如图1所示。

图1 多管路超声波计量撬工艺原理流程示意

上游气源(可为多路气源)经过计量撬入口管汇进入计量撬，通过在线色谱分析小屋后进行分流，分5路进入下游管路系统。每路计量前后均设有轨道球阀，并在上游轨道球阀设置旁通小阀，用于管道缓慢充气，避免流量计压差过高和流速过高，同时便于超声波流量计启用前的零流量测试。为缩短超声波流量计上游直管段长度，在流量计上游10D处设置了整流器。为实现超声波流量计相互比对和互为备用，设置了超声波流量计比对流程，如果上游有多路气源，管汇混合长度不宜小于5 m。

2.3 设备选型

采用5台口径为DN300、量程为3.0×103～2.5×105m3/h的超声流量计对每路天然气进行计量。压力变送器为智能压力变送器，量程范围为0～10 MPa；温度变送器为智能型，量程范围-20～70 ℃；选用1台在线色谱分析小屋可实现在线实时的组分分析。超声波流量计的前、后管路上，选用密封性能良好的轨道球阀，防止并联计量管路的泄漏。根据天然气站场防火、防爆要求，装置采用防火、防爆设计，电气系统、仪表设备均选用防爆型。

2.4 控制系统功能设置

控制系统主要包括以下3个功能：

1)对温度变送器、压力变送器、超声波流量计及在线色谱分析小屋的测量数据，进行汇总、收集、处理、计算、存储及结果的输出。

2)对电动轨道球阀实现开关操作及流程切换。

3)通过远程控制，实现数据的传输、编程组态以及数据库的管理和维护工作。

2.5 模块拼接构成

新型多管路超声波流量计计量撬，由模块A，B，C，D，E组合拼接而成，计量撬模块构成如图2所示。

图2 新型多管路超声波流量计计量撬模块构成示意

1)模块A。包括计量撬入口汇管、在线色谱分析小屋、计量上游切断阀及其平衡气管路上游的球阀、双作用节流截止放空阀。

2)模块B。包括3路计量上游切断阀后管路、整流器、超声波流量计及下游温度计。

3)模块C。与模块B类似，包括2路计量上游切断阀后管路、整流器、超声波流量计及下游温度计。

4)模块D。包括4路计量比对流程切换阀及每路计量管路放空。

5)模块E。包括每路计量末端出口轨道球阀和出口汇管管路。

3 结束语

1)高压大流量天然气计量中，超声波流量计优势明显，综合考虑运输方便性与校验的可行性，建议单撬不宜超过5路，计量管路口径不宜超过DN300。

2)设计研制了一套新型多管路超声波流量计量撬，采用模块化拼接的方式，克服了常规散装安装方式占地面积大、施工周期长等缺陷，使安装方式更为便捷可靠。

3)入口管汇的进气和分流方式，更容易确保上游气源充分混合，使每路超声波流量计流体介质混合更为均匀，确保了管汇在线色谱分析小屋数据更具有代表性，有利于提高商品贸易计量的精度。

4)计量比对撬(模块B)，包括2路计量和1路比对流程，可实现流量计互为备用和相互比对功能。