超声波流量计在气田贸易计量中的应用分析

[摘要]在天然气贸易计量过程中为确保双方的核心利益不受损失，流量仪表的准确计量发挥着至关重要的作用。针对涩北气田大贸易计量点(如涩一宁一兰)主要以孔板流量计为主，根据多年的使用经验孔板流量计后期维护量较大、影响流量计量准确度的因素相对较多，容易跟下游用户发生计量纠纷。根据这一实际情况涩一宁一兰复线天然气贸易
计量系统中，采用了精确度高、维护量少的超声波流量计，结果表明在投入运行一年多时间里运行比较平稳，取得了较好的应用效果。
随着青、甘、宁三省区对天然气的需求量日益剧增，2001年建成投产的涩一宁一兰管线(设计年输气量为34亿m)难以满足三省区入民的用气需求。
为了保障3省8市6县工业用户正常生产，广大居民安居乐业，认真履行好天然气安全生产的“社会、政治、经济”三大责任，天然气开发公司于2009年11月顺利实现向涩一宁一兰复线供气。天然气开发公司与兰州管道分公司涩一宁一兰复线贸易交接计量点位于涩北一号气田5号集气站，复线共装有4台美国Daniel公司生产的超声波流量计，流量计口径分别为DN250和DN200各两台，4路外输计量设计年输气量为34亿m3。
1、工作原理及特点
(1)超声波流量计的工作原理
超声波流量计是通过测量高频声脉冲传播时间得出气体流量的速度式流量计。超声脉冲穿过管道如同渡船渡过河流一样，声脉冲在管道内向上游和下游斜线方向传播如图1所示，如果管道没有气体流动，声波将以相同速度向两个方向传播。当管道内的气体流速不为零时，沿气流方向顺流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲将减慢。因此，对于没有气流的情况，顺流传播的时间将缩短，逆流传播的时间会增长，分别测量它们的传播时间(这两个传播时间由电子电路进行测量的)，其传播时间差与气体的平均流速有关，时间差越大，则流量越大，只要精确地测出时间，就可以准确计算出流量。因为沿顺流方向声道上声速传播的声脉冲增大，即叠加一个气流速的速度分量；而逆流方向声道上声速传播的声脉冲减少，因为它要减去一个气流速的速度分量，不论是叠加还是减去一个气流速，计算天然气流速，这样计算出的流速和时间也更准确。其计算公式为：

式中：t1为超声波逆流传播时间；t2为超声波顺流传播时间；L为超声波在流体中的传播路径长度；V为气体的流速；X为声道距离；C为在被检介质(气体)静态时的声速；D为管道直径。
超声波流量计装在一段圆管外，管内无任何遮挡物件，在工作状态时，充满管道、连续流动的天然气直流通过圆管，通过气量的大、小，会对其测量的准确性有一定的影响。从超声波流量计的工作原理图和计算公式中不难看出，D三个量经标定后是一个准确值、一个不变量，不会对测量准确性有太大的影响，最重要是对时间的精确测量，因传播时间与气体的平均流速有关，关键是流速的测量和状态的定性问题，流速测量越准，气量的计算就越准确，计量的准确度也就提高了。
超声波流量计的设计是基于对任何稳定的管道内流体，其流速是以管轴为中心对称分布这一原理设计的。而实际情况是流体在管道内流动时，流速很少沿管轴对称分布，它们受上游管道的安装、管道状况、现场阻流件和其他因素的影响，所有这些都会影响流体流速的对称分布。为此，各流量计生产厂家做了许多模拟实验，提出了非对称流体流量测量的解决方案。如应用在涩一宁一兰复线计量系统中的Daniel四声道超声波流量计，采用对射式，四组对射超声探头分别分布在四个平行的平面上，超声探头呈“x”型分布，
使之更有利于涡流或偏流等流体的测量。
下面以Daniel超声波流量计为例，简述其基本构成。该流量计通过测量在四个并行的测量通道上超声波通过流动气体时的传输时间，以精确获取通过仪表的气体平均流速。四个测量通道的选择充分考虑蓟在不受流体特性影响下取得最优的精度。四个测量通道均与管轴呈45。角。每条测量通道拥有2个超声波探头，交替作为超声波信号能量的发送及接收装置，用来测量超声波通过顺流和逆流时的传输时间。超声波探头被安装在表壁的固定位置上，距离和在仪表制造组装时即已确定。对于每台超声波流量计而言这些参数都是对应固定的，结合对每对超声波探头电子特性的测量，使得超声波流量计能够在无需标定的情况下，获得很高的精度和重复性。
(2)超声波流量计的特点
超声波流量计从其工作原理和仪表结构分析，具有以下性能特点：
①检测件是一段无阻碍物的圆管，结构简单、无可动部件、元压力损失并且免维护。
②适用的流量范围大(量程比宽为40：1，最高可达100：1)。
③精确度高(≤.4-0.5％)，重复性好，线性好。
④各流量计生产厂家具有专利声道布置技术，可有效解决流体的速度分布不对称和涡流造成的影响。
⑤具有双向测量功能，且双向测量的准确度相同。
⑥有强大的自检和自诊断功能。根据JJG1030—2007《超声波流量计检定规程》，在线使用的流量计每6年需送具有检定资质的专门机构进行标定。为了使流量计测得准确的声速值，减小计量误差，现涩北气田贸易计量所用的超声波流量计使用专门的CUI软件和其自身的自诊断功能，每隔一个月对流量计进行声速核查。如果能够证明流量计测量的声速值是准确的，就可以判断参与测量声速的参数是准确的；从而就能够判断流量计测量的体积流量是准确的。判断流量计测量的声速值是否准确，最简单直观的方法就是将实测的声速值与理论计算值相比较。声速检验就基于此原理。
2、与孔板流量计计量系统的对比
涩一宁一兰复线贸易计量所用的Daniel公司生产的四声道超声波流量计准确度等级均为0.5级。孔板流量计采用高级孑L板阀(如涩一宁一兰)，配套有温度变送器和压力、差压变送器。孔板流量计在涩北气田经过多年的应用，我们发现该流量计存在以下不足：
(1)本身结构引起计量误差
孔板制造误差、安装位置偏离、使用过程中的腐蚀、磨损、附着以及直管段长度达不到技术要求都会带来计量误差。
(2)后期维护量较大
一是为了保证流量计始终处于正常的运行状态，减小计量偏差，每月对孔板、变送器等装置进行检查，并且检查次数不少于一次；二是为了防止液固体混合物在引压管、三阀组内聚集形成水堵、冰堵现象影响正常计量，每天需对三阀组、引压管线进行排污、吹扫，并且排污、吹扫的次数不少于一次。
(3)容易发生计量纠纷
对孔板、变送器进行日常检查维护时，无法实施正常计量，迫使每检查一次计量装置都必须跟兰州管道分公司涩一宁一兰首站签一份补气协议，补气量的计算方法为：(维护时间÷60)×瞬时流量，由于瞬时流量值并未求取算术平均值、均方根平均值、几何平均值等相对来说更接近真值的运算处理，而是直接取某点的瞬时流量值进行计算，这样估算出的流量值跟实际输出的流量值存在一定偏差，给后续的结算工作带来不便。
(4)存在长期投资
对三阀组排污时安装在高低压引压管线上的外螺纹截止阀或球阀频繁开关，由于管线压力较大(4.7MPa左右)阀容易被刺(一套孔板装置按平均每星期被刺阀1只，每只阀单价110元计算，一年的投资约为4800元)，造成一定的经济损失。
对超声波流量计而言没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性这一问题，其声道长度、声道角及管道横截面面积都是恒定的参数；也不存在由引压管线、三阀组引起的水堵和冰堵现象，其能够根据现场条件确定仪表系数并维持长期稳定；尤其是能够满足用户要求，天然气流量计量系统必须具有高精度、无压损、低能耗、结实耐用、维护量少的特点。根据查阅相关资料表明，流量计口径在DN200以上时采用超声波流量计的设计方案是比较合理的。涩一宁一兰复线四路流量计口径皆为DN200(包括200)以上，这正好与相关资料所表述的理论相吻合。
3、超声波流量计的计量方案
涩一宁一兰复线计量系统包括超声波流量计、温度变送器、压力变送器、色谱分析仪和流量计算机这五台主要设备。它们之间的关系结构图和管路安装图分别如图2和图3所示。具体情况如下：

(1)采用4台超声波流量计作为计量仪表(其中流量计口径分别为DN250和DN200各两台，3用1备)，其计量管路严格按照GB/T18603-2001《天然气计量系统技术要求》(A级计量系统)标准要求
设计。流量检定范围分别为(231.56～2114.26)m3/h(DN250)和(116.36～1714.93)m/h(DN200)。
(2)各计量管路配套安装温度和压力检测变送器。压力变送器精确度等级为0.1级，安装位置在流量计表体上；温度变送器采用0.2级一体化智能变送器，安装位置在流量计下游8D处；温度、压力、工况流量同时接入流量计算机进行流量计算。
(3)每条计量管路设置至少前10D、后5D的计量直管段，在流量计后大约20D处安装流量调节阀并具备电动控制功能，方便当班入员操作。其中计量直管段的直度、圆度和内表面粗糙度等加工参数，均满足超声波流量计安装的相关技术要求。
(4)整个外输计量系统统一安装一台型号为Daniel590的气相色谱分析仪，专门用来检测天然气的气体组分，并将采集到的实时组分值通过主机传到流量计算机内，通过流量计算机内置的压缩因子计算公式(压缩因子是按一定的计算公式且随不同的温度、压力而动态计算的)计算出压缩系统。
(5)四台流量计共用一台流量计算机，根据美国煤气协会AGANO.3、AGANO.8报告所编写的计算程序进行流量计算并进行温度、压力补偿，即可得到所需要的天然气瞬时流量值或累计流量值，并可在上位计算机实时显示。
4、结论与建议
(1)经过一年多的实际应用，实践证明超声波流量计完全适用于气田天然气外输贸易计量，它不仅提高了计量精确度、减少了计量纠纷、降低了后期投资、优化了地面管线工艺、减少了“跑、冒、滴、漏”点降低了安全隐患，同时也减轻了技术入员的劳动强度。
(2)各方面条件允许的情况下，建议在后期的地面产能建设中广泛应用超声波流量计，尤其是在主沟通线计量点上。目前涩北一号气田与涩：被二号气田之间、涩北一号气田与台南气田之间和本气田内各小站之间都有沟通线，各沟通线之间的计量装置主要以孔板流量计为主。为了实现气田科学、高效开发，核对每个气田每天的产、输气量是一项必不可少的工作，但日常的核对中发现涩北一号气田产、输量误差较大，初步判断其中原因之一在于涩北一号气田与涩北二号气田之间存在正反输问题，由于这条沟通线上只安装了一台孔板流量计，无法计量反输量。若安装一台超声波流量计在此沟通线上，可充分利用超声波流量计所独有的“具有双向测量且双向测量的准确度相同”这一功能，反输问题会迎刃而解，产、输量误差也向允许的误差范围内靠近。
目前制约超声波流量计在气田内大量推广应用的主要制约因素是价格偏高和国产率较低，但超声波流量计与传统的其它测流仪器相比，具有无压损、标定周期长、准确度高、维护工作量少等优点，凭借上述优点超声波流量计必将会在气田流量测量领域得到广泛应用。