气体超声流量计量影响因素分析及措施

摘要：本文依据目前国内外流量计应用现状, 对管道安装、噪声干扰、温度及压力测量、脏污堆积等对超声流量计计量系统性能有影响的因素进行分析探讨, 促进超声流量计在现场的推广和普及。

  通常情况下, 气体超声流量计由流量计本体、超声换能器、电子数据处理单元等构成。换能器通常直接与气体接触, 并承受气体压力, 超声脉冲通过换能器发射, 一般而言, 在流动气体内的相同行程范围内, 依据逆流和顺流2个超声信号的传播时间对沿声道的气体平均流速进行综合评定, 再通过公式计算出气体流量。和其他类型的计量仪表类似, 超声波气体流量检测技术在其具体的应用过程中会受到各种类型的因素干扰, 为了有效的保证检测结果的精准度, 特别需要注意噪声、脏污、压力和温度测量准确度造成的影响。

  一般而言, 流量计入口处流体速度分布的畸变程度、流量计对畸变的补偿能力和流量计的测量误差大小有着非常重要的关系。所以, 气体超声流量计相邻管段上各种阻流件的应用和前后的管段安装都和流量计有着不同程度的关系。[1]

  在流量计上下游安装一定长度的直管段可降低不良流态对测量结果的影响, 从准确计量的角度来看, 直管段越长, 计量性能改善越好。但受场地限制、材料运输、施工成本等诸多因素限制, 又只能越短越好。GB/T 18604-2014中指出:“如果制造厂未提供流量计上、下游直管段长度要求和流动调整器的安装要求时, 或者用户无法提供预期的安装条件时, 不带流动调整器的情况下, 流量计上游至少需要50D的直管段;带有流动调整器的情况下, 流量计上游至少需要30D的直管段, 且流动调整器宜安装在流量计上游10D处。流量计下游直管段长度至少应为5D。”[2]

  在计量装置设计和安装的初期, 通常就会考虑高速气体通过管道系统中整流器和阀门等各种类型阻流管件时造成的噪声干扰, 然而因为现场工况条件不断变化 (如:流量、压力、温度) 、压缩机补贴功率下的噪声振动等不可预见的各类因素使得噪声大小难以确定。

  现阶段, 我国天然气计量系统的噪声污染源主要有:汇管、压缩机、整流器、节流阀和调节阀等, 在这些影响因素中, 节流阀和调节阀等节流构件造成的噪声污染对超声流量计的影响***为普遍。基于超声流量计的工作原理, 如若保持超声流量计和噪声流量计的工作频率的范围相同, 就会对超声波脉冲的探测产生干扰, 对传输时间的测量产生影响, 致使体积流量的监测不, 产生误差。

  通常情形下, 调压前后的压力相差越大, 流体的速度变化就会越大, 相应流场产生的扰动就会越大, 造成的噪声也就越大。所以, 为了有效的避免噪声污染, 可以采取“多支路供气、分级调压”的调控措施, 以此实现控制噪声的目的。通常情况下, 节流阀和调节阀等节流构件造成的噪声, 受到气体流向的影响, 其中大部分噪声能量会被传播至节流件的下游, 仅极少一部门噪声会逆流向上进行传播, 在这种情况下, 可以采取“计量在前、调压在后”的安装方式, 以此来降低流量计造成的噪声。在噪声源和超声流量计之间安装直管段、90°弯头、T型管等可在一定程度上降低噪声的影响。不同管件的降噪能力见表1。

表1 不同管件的降噪能力

  含水、粉尘、油污和其它脏污的天然气流经超声流量计时, 会逐渐堆积在流量计表体管道内或超声波探头上, 对超声流量计计量准确程度造成严重的影响, 总体来说, 主要表现在以下几个方面:

(1) 附着在超声波探头上的杂质缩短了脉冲信号在管道内的传输时间, 会使流量计读数偏高;或影响超声波探头的灵敏性, 也会对流量计产生较大影响。

(2) 由于杂质的附着, 导致流量计上游直管段和表体内壁粗糙度的变化或整流板的堵塞造成气体流态发生变化, 可能会对流量计的稳定性和准确度造成影响。

一般而言, 各个厂家生产的超声流量计声道布置不同、数量不同, 致使探头对脏污堆积的敏感程度之间存在差异。容易证明, 脏污堆积对口径更小的超声流量计的影响更大。

  通常情形下, 超声流量计计量系统由流量计、流量计算机及配套的在线组分分析仪、温度变送器、压力变送器等部分构成, 通过输入温度、组分和压力等参数, 流量计算机可以把流量计的工况流量通过协议转换为用于贸易交接的标准参比条件下的体积流量, 它的计量公式如下所示:

式 (1) 中:f代表工况条件下, b代表标准参比条件。

基于公式 (1) , 可以得到计量系统的准确度和压力、温度的测量的准确性密切相关。

按照计量法的相关标准, 在现场使用的压力和温度测量仪表均会按期送往当地计量检定院检定、校准, 但现场仪表通常曝晒于阳光下, 其工作温度与实验室校准温度差异较大, 仍然会出现流量计算机的温度或者压力示值不准确的情况。

通过分析国内进行的某些流体实验, 可以得知, 温度变送器可以在它铭牌注明的工作温度范围之内正常运行, 然而在实验室校准温度和室外环境差异非常大的情况下, 它的压力测量值和进行了防晒保护的温度变送器测量值之间的差值可以达到18~20k Pa之间。所以, 保证压力和温度测量仪表的准确、可靠显得尤为重要。

  为提前预防仪表损坏、消除仪表故障, 须对仪表进行定期检测。目前, 很多超声流量计的生产厂商都开发了对应的检测软件, 可以实时的检测超声流量计的增益值、声速、信噪比和管道天然气的流态、流速等相关的重要参数。各单位的计量工程师在实际运用这些软件时, 必须定期对超声流量计的工作状态进行检查, 并且依据相关参数的变化情况, 对流量计可能出现的问题及是否正常的状态进行相应的判断, 如噪声干扰、超声波探头脏污、流态分布不均匀等。同时检查各连接件是否泄露, 线路连接是否正常, 零流量测试是否准确等。[4]

  加强对天然气气质的检测, 确定合理的流量计清污周期。若发现内部腐蚀较明显, 应对其重新校准, 因仅清洗会导致流量计的内径变大, 但是内径的平方和流量成正比关系, 因此测量出的流量会比实际流量小, 造成计量偏小。

  仪表选型时, 应根据实际运行压力、温度, 选择合适的仪表量程, 避免仪表的工作范围在量程的10%以下。定期对现场的温度、压力仪表进行查校和相关的维护保养, 保证其示值误差符合精度要求。对室外仪表安装防晒装置, 避免环境温度接近或者超出其设计工作温度。

  气体超声流量计作为计量性能优异的仪表, 随着计量准确度的进一步提高, 在天然气计量中的应用将更加广泛。只有充分掌握其影响因素和解决措施, ***好在设计选型初期就严格把关, 以便更好地使用与维护, 更好地服务于天然气计量。当然, 国产超声流量计也逐渐兴起, 期待其技术成熟后全面推广应用。