便携式气体超声流量计在榆林气田的建标与应用

  引言

    随着榆林气田天然气勘探开发的不断深入，天然气计量已成为天然气开发与管理中的一项重要工作，长庆采气二厂单井计量及集气站外输均采用孔板流量计，为保证计量准确性，应定期对其进行检测。为此，我厂天然气计量站采用1010DVN便携式气体超声流量计对集气站孔板流量计进行了比对测试，取得了较为满意的结果。

    1、气体超声波流量计原理

    超声波流量计采用数字式多脉冲MultiPulseTM时差技术。每声道的两个宽束超声波换能器，互为发射和接收换能器。利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流速，根据管道截面积计算出流体工况下体积流量。图1为超声波流量计原理示意图。

图1 超声波流量计原理

    2、便携式气体超声流量计的建标

    2.1 计量标准的量值溯源和传递框图

    

    2.2 计量标准器参数

    测量范围：（5～2558）m³/h；DN（80～200）mm，精度等级1.0级。

    2.3 计量标准的重复性考核

    相同的测量条件下，选取编号为001，量程为（0-250）m³/h的旋进漩涡流量计进行检定，受检点为150.00m³/h，测量10次数据如下：单位（m³/h）

    150.29；150.30；150.31；150.30；150.31；

    150.28；150.28；150.29；150.31；150.31

    则由贝塞尔公式得出，计量标准的测量重复性为

    2.4 计量标准的稳定性考核

    在工作条件不变情况下，选一块性能稳定编号为001，量程为（0-250）m³/h的旋进漩涡流量计，间隔两个月测量一组数据，受检点为150.00m³/h，得测量值如下表所示：

    该便携式气体超声流量计检定装置的稳定性为测量结果中最大值和最小值之差，即0.030m³/h。

    2.5 检定或校准结果的测量不确定度评定

    测量不确定度的评定依据JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》的规程，使用的计量术语是JJF1001-1998《通用计量术语及定义》的规定。

    2.5.1 测量方法及条件

    便携式气体超声波流量计采用直接比较法进行测量，选用一个稳定较好的旋进漩涡流量计，通过标准器的检定值比较便可得到测量条件下被检旋进漩涡流量计的示值误差。

    （1）环境条件：（-5～35）℃、（45～85）%RH、（86～106）kPa

    （2）测量范围：（5～2558）m³/h

    2.5.2 建立数学模型

    

    式中：Δq为被检旋进漩涡流量计的示值误差，单位为m³/h；q_x为被检游标卡尺的实际指示值，单位为m³/h；q_n为该便携式超声波流量计检定值，单位为m³/h。

    其中灵敏度系数：

    2.5.3 A类测量不确定度的评定u₁

    用便携式超声波流量计对编号001，量程为（0-250）m³/h的旋进漩涡流量计进行检定，进行10次连续性重复独立测量，得到测量列150.29m³/h、150.30m³/h、150.31m³/h、150.30m³/h、150.31m³/h、150.28m³/h、150.28m³/h、150.29m³/h、150.31m³/h、150.31m³/h

    测量的平均值为：

    

    由贝塞尔公式得出：

    

    自由度：

    2.5.4 B类测量不确定度的评定u₂

    由便携式超声波流量计引起的标准不确定度分量u_x1：

    根据重复测量结果得出置信区间[x-a，x+a]，估计xi的变化范围（半宽）a为0.1279m³/h，误差服从均匀分布：

    包含因子：

    则B类不确定度：

    估计其不可信度为10%，故自由度为：

    环境温度引起的标准不确定度分量u_x2

    因检定温度引起的标准不确定度，因温度控制在（-5～35）℃范围内，因而可以忽略不计。

    综上所述，B类测量不确定度为：

    2.5.5 合成标准不确定度的评定

    合成标准不确定度u_c的计算：

    因输入量dx和dn彼此相互度独立，互不相干，所以合成标准不确定度可按下式求得：因为c1=1，c2=-1

    

    合成标准不确定度u_c的有效自由度为：

    

    2.5.6 扩展不确定度的评定

    取置信概率为p=95%，按有效自由度ν_eff=9，查t分布表得：k₉₅=2.26。

    扩展不确定度为：

    2.5.7 测量不确定度报告

    用便携式超声波流量计对编号001，量程为（0-250）m³/h的旋进漩涡流量计进行检定的结果的扩展不确定度为：

    

    3、便携式气体超声流量计的现场应用

    为了降低在线检测比对的误差，应精心操作，遵循以下操作步骤，尽量减少人为因素造成的测量误差。

    3.1 测量点的选择

    正确选择测量点，准确地测量管道参数，是减少附加比对测试误差的前提条件。为此必须做到以下两点：一是测量点应选择在管道上游10倍以上、下游5倍以上管径长度的直管段上，测量点处应无焊缝、无振动及无电磁干扰源等；二是由被测单位提供测试管道设计参数，现场用卡尺或钢卷尺和超声波测厚仪对管道外径及壁厚进行复核，为减小误差，管道外径及壁厚应进行多点测量后取其平均值。

    3.2 安装换能器

    将管道外经、壁厚和管道材质数据输入流量计主机。为减小管道噪音信号对测量结果的影响，应在管道外壁粘贴CC129A型气体耦合剂薄膜，贴时应尽量减少气泡的产生，如产生气泡应将气泡弄破，释放出气体。

    3.3 气体参数的设置

    由环境监测站提供气体的组分、比热率、粘度等可靠数据，现场输入被测点气体的温度、压力参数。组份用于计算气体压缩因子，比热率用于计算气体的平均比重，粘度用于进行流态补偿计算。

    该计量标准经过了陕西省计量科学研究院的检定，准确度等级达到了1.0级。为进一步验证其现场检测精度，我们在作业二区榆21站外输天然气计量管线上进行了测试，与外输孔板流量计进行了比对，测量的相对误差均未超出±1.0%的范围，说明选用的1010DVN便携式气体超声波流量计精度符合现场测试要求，孔板流量计计量误差在有效范围内。

    4、结论

    为进一步提高1010DVN的在线测量精度，在使用中需要注意以下几点：

    ①不同型号的1010DVN换能器所适用的管道外径、壁厚和被测介质最低压力等数据是不同的，要确保提供的参数在其适用范围内；另外，管道外径与壁厚比为15：1或更大时性能最佳，小到5：1时测量效果会变差。

    ②测试中现场提供的温度、压力数据在测量过程中是否稳定，影响到最终的测量精度。根据气体状态方程可以估算出，温度相差1℃，流量测量结果会相差0.3%左右，压力相差0.1MPa，流量测量结果会相差1.3%左右。

    ③信噪比大小对测量结果有较大影响，如果信噪比在10：1以下，就无法得到准确测量数据。为抑制管道中噪音信号，提高信噪比，需要在测量管道外壁粘贴CC129A型气体耦合剂薄膜。

    ④换能器的安装条件及安装精度影响最终的测量结果。安装换能器时，管道外表面应去除保温层、去漆，锈迹应砂平，涂匀耦合剂，不能有空隙，否则声波会在固、气界面上发生折射，无法传到被测流体。为确保流体所需的流速分布，换能器前后要有足够长的直管段。