天然氣超聲流量計的應(yīng)用

陜京線是中國最長的天然氣管道，也是管道直徑最大的天然氣管道。該管道幾個分輸站已將氣體超聲流量計作為天然氣的流量計量儀表使用。該儀表從原理上擺脫了對流體動能的依賴性,能夠測量較低的氣體流量,使流量計具有非常寬的量程比,并且在測量中不會引起壓力損失,是比較理想的實用性貿(mào)易結(jié)算計量儀表。一、超聲脈沖沖壓超聲壓系統(tǒng)時間差法超聲流量計的工作原理見圖1(僅為單聲道的流量計,也適用于其他結(jié)構(gòu),與流量計的聲道數(shù)無關(guān))。在流體管道中安裝有兩個既能發(fā)送又能接收超聲脈沖的探頭A和B,這種安裝方式能使一個傳感器發(fā)出的超聲脈沖被另一個傳感器接受,從而形成聲道。在有流體流動的管道中,超聲脈沖順流傳播的速度比逆流快。流體的速度越快,超聲順流和逆流傳播的時間差越大。各參數(shù)之間有如下關(guān)系:式中L———聲道長度,m;C———試驗條件下的聲速,m/s;φ———被測介質(zhì)流動方向的矢量與聲道之間的夾角,(°)。由式(1)和式(2)可以得到被測氣體流速:式(3)表明,氣體流速的測量與被測氣體的性質(zhì)(壓力、溫度等)無關(guān)。二、孔板流量計的檢測目前,在北美、南美和歐洲以及國內(nèi),對用于財務(wù)結(jié)算計量或貿(mào)易輸送計量的氣體超聲流量計,通常是在測試裝置上用標準表與參比表進行對比來標定的。對于較小的氣體超聲流量計(口徑在300mm以內(nèi)),利用現(xiàn)有的裝置進行標定是比較現(xiàn)實可行的。但由于較大口徑的氣體超聲流量計已非常普遍,如按常規(guī)方法,讓用戶將流量計從使用的管道上拆卸下來,運送到標定裝置上進行流量標定,費用非常昂貴,而且是一個十分費時的過程。實踐證明,干標法對于孔板流量計是可行的。孔板流量計的檢定是根據(jù)孔板幾何尺寸、對孔板安裝條件的檢驗和對二次儀表的檢驗來評價流量測量的不確定度?？装辶髁坑嫑]有可動部件,如果所有的幾何尺寸、附屬組件已被檢查和標定,其性能就可獲知。同樣,超聲流量計也沒有可動部件,因此可以通過幾何尺寸的檢查以及運行特性的檢查來確定流量計的性能。三、間接檢定和干標檢定流量計的干標與流量標定不同,它不是利用標準或參比表來檢查流量計的結(jié)果(被測氣體的體積/參比流量)。如果管道幾何尺寸能被檢查,而電子單元和探頭被測試能準確測量氣體流速,經(jīng)過這兩部分的檢定,而能夠確定流量的準確度,就可將此過程稱為間接檢定。但因這個檢定的結(jié)果需要調(diào)整流量計的組態(tài),因此這過程稱為干標。與孔板流量計的干標方法相類似,氣體超聲流量計的干標基礎(chǔ)是幾何尺寸的標定和傳播時間差等,并利用表格公式或數(shù)學(xué)表達式建立氣體測量與被測量的關(guān)系式。為了確保流量計的性能并提供所進行工作的數(shù)據(jù)檢查跟蹤,干標的各個步驟都必須遵循以下幾點要求。(1)計算開口的幾何尺寸的測定(2)電子線路和檢測功能的測試(3)4煙道角通過調(diào)整通道長度和角度來考慮微小的制造上的變化。一般地,聲道角φ為60°。如果機械尺寸沒有精確到千分之幾英寸,此夾角將會改變。測量原有尺寸并計算實際的夾角及聲程,能改善流量計的準確度。(4)零流量檢查測試對于安裝在現(xiàn)場的氣體超聲流量計,只要流量計能被隔離開來,就能進行零流量檢查測試。在進行這項測試時,應(yīng)該非常小心,以避免誤解所得的結(jié)果,尤其是隔離閥門的輕微泄漏或是由于日光和風(fēng)吹造成的溫度梯度,都會影響測試結(jié)果的可靠性。(5)聲程的調(diào)整與聲程的確定將計算出的理論聲速與超聲流量計輸出的聲速進行比較并用“調(diào)整”來調(diào)整聲程,所得的結(jié)果仍是由流量計測得的聲速測量值所能達到的最高精度。這樣不僅減少了測量的不確定度,而且有助于實現(xiàn)可重復(fù)的流量計性能。(6)聲音校正四、超聲流量計的組態(tài)方法近幾年來,氣體超聲流量計以其適用范圍廣、測量精度高等優(yōu)點在我國得到較快發(fā)展。然而,由于目前在我國應(yīng)用的時間較短,許多產(chǎn)品尚需從國外引進,而進口儀表價格昂貴,因此氣體超聲流量計在我國的應(yīng)用還不普遍。當前,我國尚無氣體超聲流量計的干標法的國家標準和檢定規(guī)范,其方法本身也會引起測量的不確定性。要完善超聲流量計的干標和測量標定的結(jié)果,需要生產(chǎn)廠家與使用者合作,通過試驗和實踐取得第一手資料,以消除影響流量計性能的不確定因素,逐步使其規(guī)范化和標準化。V———流動介質(zhì)的速度,m/s;對于干標,精確檢定尺寸公差是一個非常重要的手段。必須測量與超聲氣體流量計的有關(guān)幾何參數(shù),以便測定聲道的角度和聲程(聲道的長度)。在將電子線路與超聲探頭裝在流量計主體之后,要進行功能測試,以確保流量計的電子線路組件(信號處理單元(SPU)以及全部探頭)都能正常工作。在獲得精確的尺寸測量結(jié)果后,就要對超聲流量計進行組態(tài),以適應(yīng)加工制造中的任何微小變化。這些是僅有的組態(tài)項目,即對每一個特定的流量計進行調(diào)整(根據(jù)尺寸檢測報告得出的組態(tài)項)。其他的組態(tài)項目對于一個給定的流量計口徑都是通用的,不會隨著流量計的個體而改變。零流量檢查測試指的是當沒有流量時,流量計應(yīng)無流量指示。若有流量指示,則是“偽示值”。如果電子線路或探頭有計時誤差時,就可能產(chǎn)生“偽示值”。即使沒有氣體流過流量計,仍能檢測到探頭之間的傳輸時間差。由超聲流量計工作原理可知,氣體流動對聲速值影響不大。假設(shè)氣體的溫度、壓力和組分保持不變,不管流量多少,聲速都將保持相對不變。聲程計算中的任何誤差都將影響流量計的精確度。為獲得準確的聲速結(jié)果,流量計必須用一種已知成分的氣體來加壓,該氣體一般采用99.5%超純的氮氣。在測試前,先標定壓力變送器和溫度變送器,并保證流量計內(nèi)充入氮氣時沒有污染的介質(zhì)。然后在1.4MPa和3.4MPa兩種壓力下分別獲得測