摘 要：在天然氣現(xiàn)場(chǎng)存在許多影響貿(mào)易結(jié)算精度的因素。這些影響并非依照計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的需求能予以控制，如：氣質(zhì)條件或安裝情況的影響。于是一些新型流量計(jì)（如超聲流量計(jì)）便應(yīng)運(yùn)而生并已在標(biāo)定站進(jìn)行了檢測(cè)。通過中國(guó)石油工業(yè)天然氣流量計(jì)量站天然氣實(shí)流測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度可優(yōu)于±0.5%，具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程比寬、抗干擾能力較強(qiáng)、維修量小，可測(cè)雙向流等特點(diǎn)。
主題詞：臨界流文丘利噴嘴 實(shí)流測(cè)試 超聲流量計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

天然氣計(jì)量系統(tǒng)與現(xiàn)狀

目前，在中國(guó)天然氣計(jì)量系統(tǒng)中以孔板流量計(jì)為主。眾所周知，孔板流量計(jì)由節(jié)流裝置、導(dǎo)壓管路系統(tǒng)、差壓計(jì)組成。其特點(diǎn)是量程比小，壓損大，對(duì)脈動(dòng)流很敏感，不可以測(cè)雙向流等。雖然孔板流量計(jì)已有上百年的歷史，但由于計(jì)量?jī)x表誤差（節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用條件不符合ISO5167-1[1]的要求，或者儀表選擇不當(dāng)）以及使用條件變化帶來的誤差（較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，流量的變化超出了所選儀表的測(cè)量范圍，或者脈動(dòng)流的產(chǎn)生），往往使孔板流量計(jì)的精度不能優(yōu)于±1.5%。盡管ISO/TR3313[2]已對(duì)脈動(dòng)流的抑制及誤差估 計(jì)提供一些數(shù)據(jù)供用戶使用參考，但要應(yīng)付現(xiàn)場(chǎng)的需要仍有很多不足之處：①現(xiàn)場(chǎng)的阻流件類型遠(yuǎn)多于標(biāo)準(zhǔn)中提供的，并且阻流件的組合形式千變?nèi)f化，因此現(xiàn)場(chǎng)仍有些問題有待解決（如旋風(fēng)分離器、匯管在標(biāo)準(zhǔn)中就沒有規(guī)定）；②試驗(yàn)研究需花費(fèi)大量的人力、物力；③采用整流管以縮短直管段長(zhǎng)度會(huì)帶來附加壓損，同時(shí)也會(huì)增加使用維護(hù)工作量。孔板不適于測(cè)脈動(dòng)流，因差壓信號(hào)與流量為非線性關(guān)系，引壓管線使信號(hào)遲滯及畸變，節(jié)流件對(duì)脈動(dòng)波產(chǎn)生障礙形成波的反射等[3]。由于上述影響孔板流量計(jì)貿(mào)易結(jié)算精度的因素多，造成天 然氣輸送計(jì)量誤差達(dá)2%以上。如何改善與提高天然氣計(jì)量系統(tǒng)的精度是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)心的問題，并相應(yīng)開發(fā)了大量的新型流量計(jì)。在諸多流量計(jì)中，通過中國(guó)天然氣流量計(jì)量站（以下簡(jiǎn)稱計(jì)量站）天然氣實(shí)流測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明超聲流量計(jì)、智能型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)效果較好，值得推廣使用。

天然氣流量計(jì)量站概況

中國(guó)石油工業(yè)天然氣流量計(jì)量站是亞洲投資規(guī)模最大的天然氣計(jì)量站，擁有質(zhì)量一時(shí)間法（mt）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（其不確定度0.1%）和臨界流文丘利噴嘴次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（其不確定度0.25%）。標(biāo)定壓力范圍：0.2～3.8MPa，標(biāo)定工況流量范圍：5～6000m3/h。管徑范圍：DN25～DN400。迄今為止，對(duì)美國(guó)、荷蘭、德國(guó)、新加坡、中國(guó)等國(guó)各種流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定與比對(duì)，積累了數(shù)萬個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。


氣體超聲流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1 實(shí)流標(biāo)定

計(jì)量站用不確定度為0.25%的臨界流文丘利噴嘴作流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，按AGA.NO.9［4］報(bào)告草案并結(jié)合JJGl98-94檢定規(guī)程[5]分別進(jìn)行了以下不同測(cè)試：①不同聲道（五、四、三、二、一）；②不同管徑（DN300、DN150）；③不同安裝條件（理想管路條件、非理想管路條件；"理想條件"是指安裝條件較理想，如170D以內(nèi)無彎頭，無過渡部件，無阻力件等。流場(chǎng)較穩(wěn)定，如無脈動(dòng)流，無旋渦流；"非理想條件"是指在超聲流量計(jì)上游13D前人為加入阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器、匯管等）；④不同安裝方向（流量計(jì)正、反向安裝，聲道水平、垂直安裝）；⑤不同壓力（2.0MPa、1.2MPa、0.8MPa）。

（1）超聲流量計(jì)適宜于高壓、大口徑、大流量工況條件，但對(duì)小流量尤其是拐點(diǎn)（最大流量的10%，用Qt表示）以下流量段應(yīng)慎用（見圖1）。

圖1 12"Q.Sonic-5S超聲流量計(jì)理想管路后和非理想管路后測(cè)試結(jié)果比較（標(biāo)況）
說明：雙彎頭后測(cè)試中，除流量為240m3/h時(shí)，其相對(duì)示值誤差為1.45%外，其余各點(diǎn)都在指標(biāo)內(nèi)。

（2）超聲流量計(jì)的計(jì)量不受氣體流向的影響，能以相同準(zhǔn)確度進(jìn)行雙向流量計(jì)量（見圖2）。

圖2 12''4S超聲流量計(jì)理想管路下正、反向流量示值誤差比較圖（流量計(jì)系數(shù)0.9962）

（3）對(duì)同一生產(chǎn)廠家的超聲流量計(jì)，聲道數(shù)越多，流量計(jì)量準(zhǔn)確度越高，性能越可靠（見表1）。

表1 相同條件下聲道數(shù)對(duì)超聲流量計(jì)的影響

（4）超聲流量計(jì)的出廠檢定與實(shí)流標(biāo)定之間存在一系統(tǒng)誤差，出廠干檢法檢定合格需經(jīng)實(shí)流校準(zhǔn)，有時(shí)由于安裝造成的誤差可能超過0.3%。如4S超聲流量計(jì)其出廠時(shí)流量系數(shù)定為0.9962，在理想管路測(cè)試能保證精確度優(yōu)于±0.5%，但在非理想管路條件下實(shí)流校準(zhǔn)設(shè)置的參數(shù)，在"理想管路條件"2.0MPa與0.7MPa壓力測(cè)試時(shí)，偏差大于AGA.NO.9關(guān)于管路安裝影響不大于0.3%的規(guī)定，因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況條件進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定（見圖3）。

圖3 理想管路條件下流量系數(shù)調(diào)整前、后測(cè)試結(jié)果比較圖

（5）DN300三聲道超聲流量計(jì)在"非理想管路條件"下和同等條件下的四聲道流量計(jì)測(cè)試結(jié)果可以看出，在流量計(jì)聲道出現(xiàn)故障時(shí)，能有效進(jìn)行診斷和補(bǔ)償（見圖4）。

圖4 超聲流量計(jì)非理想管路條件下0.8MPa壓力三聲道、四聲道工況流量相對(duì)示值誤差圖
（流程二，流量計(jì)系數(shù)=0.9962）

（6）超聲流量計(jì)在"理想管路條件"下（超聲流量計(jì)上游直管段170D，下游直管段15D）2.0、1.2、0.8MPa壓力下，工況流量示值相對(duì)誤差略有不同，但流量相對(duì)示值誤差、重復(fù)性和峰間誤差均符合AGA.NO.9號(hào)報(bào)告要求，詳見圖5。說明在超聲流量計(jì)入口無旋渦流，脈動(dòng)流情況下，在正常工作壓力范圍內(nèi)，能保證精度優(yōu)于±0.5%。

圖5 超聲流量計(jì)理想管路條件正向流不同壓力工況流量相對(duì)示值誤差圖
（流量計(jì)系數(shù)=0.9962）

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本測(cè)試中的DN300五聲道超聲流量計(jì)與DN300 4S超聲流量計(jì)均在青白江站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并與孔板流量汁進(jìn)行了在線比對(duì)。實(shí)驗(yàn)管路的工作壓力約0.9MPa（表壓），流量約為160萬方/日（約相當(dāng)于6000m3/h）；同時(shí)另一臺(tái)DN500 5S氣體超聲流量計(jì)和DN150單聲道氣體超聲流量計(jì)分別在北京集輸公司和四川德陽進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；另外，氣體超聲流量計(jì)在克拉瑪依、長(zhǎng)慶油田等均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[6]，結(jié)果共同表明其性能穩(wěn)定、可靠，能適應(yīng)壓力、流量具有一定波動(dòng)幅度的工況條件，流量計(jì)算機(jī)能自動(dòng)顯示瞬時(shí)流量、累積流量、壓力、溫度等各種參數(shù)，具有無壓損、可測(cè)脈動(dòng)流、自動(dòng)化程度高、現(xiàn)場(chǎng)使用操作簡(jiǎn)便、故障自診斷能力強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

結(jié)論

對(duì)大口徑、高流量的計(jì)量系統(tǒng)宜采用超聲流量計(jì)

超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度可優(yōu)于±0.5%，其具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程比寬、抗干擾能力較強(qiáng)、維修量小、可測(cè)雙向流等特點(diǎn)。為保證計(jì)量系統(tǒng)精度，在現(xiàn)場(chǎng)使用前須經(jīng)實(shí)流測(cè)試校準(zhǔn)，在Qt以下流量段應(yīng)慎用。

參考文獻(xiàn)
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2 ISO/TR 3313 Measurement of Plusating Fluid Flow in a pipe by mean of Orifice plates, No33LS Or Venturi Tubes 1992
3 孫淮清 氣體超聲流量計(jì)與孔板流量計(jì)在天然氣工業(yè)中應(yīng)用的比較 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，1998，6
4 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程匯編（三） 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1995，2