天然气超声波计量系统性能影响因素分析

 

由于多声道超声波流量计具有测量性能高、范围宽、抗流场干扰性强、无压力损失、双向测量、超载安全等特点，在快速发展的天然气管道输送行业得以广泛应用。我国在多声道超声波流量计研发上较国外滞后，国产超声波流量计准确度等级较国外进口超声流量计计量精度有一定差距。在实际应用中有许多影响多声道超声波计量系统性能的客观因素需要考虑，如噪音、天然气组分、压力、温度等。

 

1 多声道超声波流量计工作原理

基于时差法的超声波流量计是根据声波在流体中顺流和逆流的传潘时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流速，进而计算出流量的。如图 1，换能器 A 和换能器 B 固定安装在流量计壳体上下游，每一个换能器既可以发送信号，也可以接收信号，相对应的两个换能器交替发送和接收声波脉冲信号，便可以实现双向计量，同时消除了气体类型，压力、温度对声速的影响。当管道内气体流动时，声波传播速度受到影响，使得顺流时的传播速度较逆流时要快。气体流速越快，则顺流与逆流传播时间差也就越大。在同一传播距离内，声波顺流与逆流传播时间分别为:

式中:T A B —声波顺流传播时间，s;T BA —声波逆流传播时间，s;L—上下游换能器之间的距离，m;C—声波声速，m/s;ν—超声波传播路径上的气体线平均流速，m/s;τ 0 —超声波脉冲信号、电路信号传播延误时间总和。

 

在实际应用中 C 2 ν 2 cos 2 φ，公式(3)可简化为:

多声道超声波流量计气体面平均流速及工况流量计算公式为:

式中:ν n —单条声道气体线平均流速，m/s;w n —权重因子，取决于声道分布;D—超声波流量计内径，m;Q—工况瞬时流量，m 3 /h。由公式(7)可知，工况瞬时流量与超声波流量计内径、声道的长度、声道的几何分布有关系。

 

由气体状态方程，推导出标准状况瞬时流量计算公式:

式中:P—工况下很好压力，Pa;T—工况下温度，K;Z—工况下气体压缩因子;P n —标准压力，1. 01325 × 10 5 Pa;T n —标准温度，293. 15K;Z—标准状况气体压缩因子。由公式(8)可知，标准状况流量与工况流量、工况压力、工况温度和压缩因子有关。

 

2 影响多声道超声波计量系统性能的关键因素

2. 1 脏污

天然气中夹带的碳水化合物、硫化亚铁粉末等污物在流经超声波流量计时会粘附在超声波探头或者流量计表体内壁上，影响流量计计量准确度。如果脏污堆积在探头上，该声道声速将与其它声道声速或理论声速偏差较大。由于脏污堆积，声波传播时间缩短，流量计读数偏大。流量计内径对测量准确度的影响非常重要，据公式推算，若管道直径测量值是其真实值的两倍，则计算所得标准状况瞬时流量会是真实值的 4 倍。若脏污堆积在流量计表体内壁上，会造成流量计表体内壁粗糙，引起流场形态的变化，造成计量准确度等级降低。另外，脏污堆积会造成流量计表体内壁腐蚀。流量与内径的平方成正比，因此流量计测量流量会比实际流经流量计流量小，造成流量计读数偏低。

 

2. 2 噪声

我国 2014 修订的 GB /T 18604 中提出噪声对超声波流量计精度的影响。在实际应用中，由于压力或流量调节装置、高压气流冲击管道、整流器等产生噪音，当这些噪音的频率与超声波(80 ～250)kHz在同一波段时，两种声波会发生共振，从而干扰换能

器检测单元分辩超声波脉冲信号。超声波流量计信噪比发生变化，影响到计量精确度。研究表明，一些低噪音阀门，以及节流、调压设备产生的噪音，对超声波流量计计量准确度影响非常大。计量误差可高达 2%。美国天然气协会在多声道超声波流量计测量天然气流量的报告 AGA. NO. 9 中指出调压阀与流量计安装太近，或差压过大产生的噪音对超声波计量性能的影响。

 

2. 3 压力、温度误差

压力变送器对环境温度较为敏感，在没有采取防晒措施情况下，容易出现零点飘移和测量误差而影响计量精度。某输气站工况压力为6.15 ×10 6 Pa，天然气标准状况瞬时流量为 5. 0 ×10 5 m 3 /h，在夏季温度较高时出现零点飘移，根据公式(8)运算可知，若压力变送器零点正飘移 1. 0 ×10 4 Pa，则会导致天然气瞬时流量偏高 813m 3 /h。

 

由于温度变送器测温元件在保护套管内，不能与天然气直接接触，因此温度测量会滞后。由于保护套管内存在铁屑、水等杂质，至使测温元件无法及时与天然气保持热平衡状态，造成测量值与真实值存在偏差。另外，也存在现场温度变送器表头测量值与参与标准状况流量运算的温度存在差异，这也是引起计量误差的主要原因之一。根据公式(8)运算可知，参与运算的工况温度越低，则计算的标准状况流量就会越大。

 

此外，温度压力信号在传输过程中也会受到电路、机械等因素干扰而影响计量准确度。王森研究了温度补偿对气体超声波流量计精度影响，引入改进型时差法计量算法消除因温度压强波动引起的信号速度的变化对流量测量的影响。

 

某输气站采用在线色谱分析仪检测天然气组分，当上游管道同时注入中缅天然气和中亚天然气，由于两种气质组分差异较大，造成天然气组分异常波动，由于流量计算机来不及加权计算，出现了理论声速与实际声速偏差较大的现象。

 

2. 5 流场适应性与超声换能器安装效应

声道布置、管道走向、调节装置、管道内壁粗糙等因素都会导致流场出现非理想分布，进而引发流量计量出现偏差。Pamela I Moore 等人利用数值计算的方法推导出管道流场的速度分布，并用实验验证了理论推导可以再现实际流场状态，因而完成了多声道流量计的权值计算。周围通过对管道流场的流速分布研究发现，层流流场的速度分布较为规则，而湍流流场的速度分布主要取决于雷诺系数。鲍敏也研究了管道内壁不同粗糙程度对流场分布的影响，表明超声波流量计对流场的变化十分敏感，汤卓远通过对多声道气体超声波流量计流场补偿关键技术研究提出了基于回归分析的流场补偿算法减小非理想分布流场对计量系统的影响。换能器的安装位置、角度以及声道几何布置都会对超声波流量计测量精确度造成影响。目前常用的为四声道超声波流量计，声道布置可分为对角式和平行式两类。周围通过研究多声道超声波流量计检测机理及数值模型，得出结论，若无法准确确定安装角度，采用对角式声道布置的测量精度将优于平行式声道布置。

 

3 控制措施

3. 1 降噪处理

安装流量计时要尽量与调压阀、节流阀等噪声发生器保持安全距离。调节阀应安装在流量计下游。在使用中应尽量避免在流量计周围产生与超声波同频率段的噪声，以免与信号处理单元、超声换能器发生共振，影响计量精度。开关流量计前后阀门时要全开全关，缓开缓关，避免产生大的压力波动，冲击管道内壁而产生噪声。

 

3. 2 减少脏污堆积

一般在超声波流量计前应安装过滤分离器，去除天然气中的污物。在运行过程中，应实时关注天然气水露点和声速，避免在探头处形成水合物。同时可利用在线诊断工具进行监测，根据运行情况，定期对超声波流量计探头、表体进行清洁保养。若发现流量计表体腐蚀严重，则重新进行检定。

 

3. 3 减小压力、温度误差

减小压力和温度误差，shou先要确保变送器实际工作范围在量程的 10% 以上。定期对压力、温度传感器进行维护保养和检定，将现场变送器表头测量值与参与计量的压力和温度进行对比，确保变送器与流量计算机通讯正常。对压力传感器做防晒处理，定期进行零点校准。对温度传感器保护套管进行清洁，定期更换导热油。

 

3. 4 减小气质组分的影响

在计量系统内安装在线色谱分析仪，采集在线气质组分将很大程度上减少组分对计量精度的影响。同时要加强在线色谱仪维护保养，确保样气、标气、载气压力满足要求，标气、载气在有效期内，纯度达到要求。定期对在线色谱仪进行手动标定，确保分析数据准确，否则错误的天然气组分会引起较大的计量误差。必须使用手动输入组分时，要尽量采用与实际气质组分相近的数值，并实时更新。

 

3. 5 正确选型与安装

选用多声道超声波流量计时，应结合实际应用，综合考虑流量计的精确度、量程和声道布置方式。**好选用与实际流量范围相符的流量计，实行连续分输。尽量选用性能更稳定、计量精度更高的超声波流量计运行，以减小计量误差。流量计安装过程中，要确保前后直管段的距离满足要求，必要时可安装合适的整流器。GB/T 18604 － 2014 对超声波流量计上下游管道安装做了要求。日常运行中，要尽量减少改变流场形态的操作。比如开关流量计前后阀门等。此外，流量计的离线检定、运输、安装过程都会影响流量计精度，建议采用在线检定技术对超声波流量计进行检定。

 

某输气站通过对现有计量流程改造，实现了三台在用超声波流量计的比对流程。通过比对分析，进口超声波流量计精度高于国产超声波流量计。在日输气量为(1. 0 ×10 7 )m 3 情况下，计量误差可高达(3. 0 ×10 4 )m 3 ，两台同型号的国产超声波流量计计量误差也达(1. 5 ×10 4 )m 3 。

 

3. 6 加强流量计的监测和维护

采用流量计配套的自动诊断系统，对流量计系统进行在线诊断，声速核查，确保各声道声速偏差不大于0.5m/s，理论声速与实际声速偏差不大于0.2%。观察效率因子，接近 100%，瞬时流量稳定，增益值稳定。当增益值明显升高时，说明信号接收强度开始减弱。计量系统任何组成单元的运行状况偏差都会影响计量结果的准确性，需要定期对气质分析仪、压力变送器、温度变送器、流量计、直管段等进行维护、检定。分析检定曲线，判断设备的运行状况，提高计量精度。