多声道超声波流量计在“中-土”天然气项目贸易计量中的应用

    土库曼斯坦阿姆河右岸天然气勘探开发项目是中国和土库曼斯坦两国在能源领域合作的重大项目，也是中国石油天然气集团公司（下称中石油）迄今为止最大规模的境外天然气勘探开发合作项目。阿姆河右岸区块位于土库曼斯坦东部，面积约1.43´10⁴km²，合同区分为A、B两个区块，合同期限为35a。该项目所生产的天然气是中国西气东输二线的主供气源，中国石油（土库曼斯坦）阿姆河天然气公司（以下简称阿姆河公司）于2009年底在A区块建成第一天然气处理厂并一次投产成功，通过中亚天然气管道将天然气输向中国。

    阿姆河公司外输增压计量站设计规模为130´10⁸m³/a，其功能是将天然气处理厂来的净化天然气进行过滤分离、增压及贸易计量，然后输送至中亚天然气管道。鉴于国际贸易计量需要准确无误、安全稳定[1-2]，因此采用了计量精度为±0.25%的德国RMG公司六声道USZ08型气体超声波流量计用于贸易计量。

    1 多声道超声波流量计工作原理及特点

    1.1 工作原理

    RMG公司六声道气体超声波流量计的工作原理是根据超声波脉冲在气体中顺流传播和逆流传播的时间差来测量气体流速，进而计算工况下的气体流量，详见图1。

图1 六声道USZ08型气体超声波流量计工作原理示意图

    1.2 结构特点

    RMG公司六声道超声波流量计由测量元件（12个传感器）、电子测量系统、壳体以及流量计算机等组成。每个传感器都由一个压电晶体安装在钛金属外壳中组成，传感器直接与壳体用法兰联接并且没有伸到管道里，各声道按流量计中心对称排列，所以可以用于双向计量而不必修改或重新编程。每一个传感器既是一个发射器同时也是一个接收器，也就是说，经过一段时间的测量，发射器就变成接收器，反之亦然，这样，就消除了气体类型、压力和温度对声速的影响。为了消除气体流型的影响，一共使用了在3个平行平面的6个声道来进行测量，每个平行平面上，有2个声道相互交叉（图2）。声道是根据高斯切比雪夫（Gauss-Chebyshev）理论进行排列，所以甚至在不对称、涡流的情况下也可以保证对流速的最佳测量。

图2 六通道排列示意图

    直接安装在流量计壳体上的电子测量系统用来控制传感器、评估测量结果和为每个声道计算流速，并与安装在控制柜中的流量计算机进行数字通信。在流量计算机上可以对超声波流量计进行操作，以控制测量、计算流量和读取数据等。

    1.3 性能特点

    超声波流量计在国内天然气计量中已经得到了应用，并取得了很好的效果[3]。RMG六声道超声波流量计是能够满足精确测量和安全稳定测量的先进测量系统，符合AGA9[4]等超声波流量计标准规范，其性能特点及优点包括：

    1）与三、四声道流量计相比，以特别方式排列的六声道超声波流量计有以下的决定性优点：①抗干扰性。根据高斯切比雪夫（Gauss-Chebyshev）理论排列声道，并且声道相互交叉，使流量计很大程度上不受气体流型的影响。因此，可以不需要整流器甚至在气体流动受到涡流、不对称等干扰的情况下也可以实现高精度的测量。②冗余性。如果其中任何一个或两个声道失效，六声道流量计将不会失去计量能力，失效的声道可以通过重新复值来得到恢复。

    2）由于传感器以100kHz的频率运行，这就使得流量计能够对流速高达40m/s的气体进行测量，所以RMG六声道超声波流量计可以应用到流速非常高的计量站。

    3）RMG六声道USZ08型气体超声波流量计的精度为±0.25%，满足交接计量要求。其本身基本的声道几何排列、六声道技术和高声波频率等特性，使得气体超声波流量计可以实现高精度测量。

    4）几乎没有压力损失，只要管道的横截面内部没有安装元器件，那么实际上就没有压力损失。

    5）超载安全，因为气体流量计没有敏感元器件。

    6）可以实现双向测量，流量计自动检测气体流向，可以在两个方向上测量而且分别累计计量。

    7）对污物不敏感，因为测量不需要声波反射，在管壁上堆积的污物对超声波脉冲不起作用，并且钛金属传感器表面是防污垢的，这样就减弱了污物等因素[5]对流量计造成的影响。

    8）不受压力变化约束，因为气体流速是直接测量且测量不需要靠流体机械力作用来完成。

    2 多声道超声波流量计校准

    根据规定，流量计在出厂或使用之前，必须对其计量性能进行校准，以保证产品质量和使用的准确度。阿姆河天然气公司购置的2台多声道超声波流量计在出厂前送至荷兰国家计量研究院（NMi）下属Gasunie管道公司的Westerbork标定站，利用其高压检测装置进行校准。Westerbork高压检测装置是世界上具有最高流量的装置之一，在6.2MPa的压力条件下最大流量为2.8´10⁴m³/h，并按ISO17025[6]标准要求进行校准实验认可。该装置归属于Gasunie管道公司所有，校准时由NMi监督，并出具NMi的证书。

    Westerbork高压检测装置的指标参数完全符合这2台多声道超声波流量计校准的需求，标准表量值溯源有效、实验室环境条件符合要求[7]。所用标准方法为标准表法，计算过程及数据处理符合ISO标准要求，参数调整与校准处理结果吻合，校准结果和修正结果可靠，参数修改完成后对仪表进行铅封。

    3 现场应用

    阿姆河天然气公司外输增压计量站2台多声道超声波流量计于2009年12月正式投用，如图3所示，供气压力约6MPa，流量约为39´10⁴m³/h（标态）。现场运行情况表明：RMG六声道USZ08型气体超声波流量计工作性能安全、稳定、可靠，能适应在投产输气前期压力、流量具有一定波动幅度的工况条件，保障了贸易气量的准确计量，中土双方对流量计的工作情况都较满意。

图3 超声波流量计使用现场图

    4 结论    

    多声道气体超声波流量计由于具有测量精度高、测量范围宽、抗干扰性强、无压损、超载安全、双向测量、测量的影响因素少等优点，完全适用于国际天然气贸易计量，有效地提高了国际天然气计量技术水平，保证了天然气计量准确可靠和公平公正，避免了国际贸易计量的纠纷，为中石油在中亚地区天然气项目采用多声道超声波流量计进行贸易计量提供一个典型的成功案例。