气体超声流量计的标定和应用

更新时间：2009-05-18

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　目前，在中国天然气计量系统中以孔板流量计为主。*，孔板流量计由节流装置、导压管路系统、差压计组成。其特点是量程比小，压损大，对脉动流很敏感，不可以测双向流等。虽然孔板流量计已有上百年的历史，但由于计量仪表误差（节流装置的设计、制造、安装和使用条件不符合ISO5167-1^[1]的要求，或者仪表选择不当）以及使用条件变化带来的误差（较长时间内，流量的变化超出了所选仪表的测量范围，或者脉动流的产生），往往使孔板流量计的精度不能优于±1.5%。尽管ISO/TR3313^[2]已对脉动流的抑制及误差估计提供一些数据供用户使用参考，但要应付现场的需要仍有很多不足之处：①现场的阻流件类型远多于标准中提供的，并且阻流件的组合形式千变万化，因此现场仍有些问题有待解决（如旋风分离器、汇管在标准中就没有规定）；②试验研究需花费大量的人力、物力；③采用整流管以缩短直管段长度会带来附加压损，同时也会增加使用维护工作量。孔板不适于测脉动流，因差压信号与流量为非线性关系，引压管线使信号迟滞及畸变，节流件对脉动波产生障碍形成波的反射等^[3]。由于上述影响孔板流量计贸易结算精度的因素多，造成天然气输送计量误差达2%以上。如何改善与提高天然气计量系统的精度是业内人士普遍关心的问题，并相应开发了大量的新型流量计。在诸多流量计中，通过中国天然气流量计量站（以下简称计量站）天然气实流测试与现场应用，证明超声流量计、智能型旋进旋涡流量计效果较好，值得推广使用。

天然气流量计量站概况

　　中国石油工业天然气流量计量站是亚洲投资规模zui大的天然气计量站，拥有质量一时间法（mt）一级标准系统（其不确定度0.1%）和临界流文丘利喷嘴次级标准系统（其不确定度0.25%）。标定压力范围：0.2～3.8MPa，标定工况流量范围：5～6000m³/h。管径范围：DN25～DN400。迄今为止，对美国、荷兰、德国、新加坡、中国等国各种流量计进行了实流标定与比对，积累了数万个实验数据。

气体超声流量计的实流标定与现场应用

1 实流标定

　　计量站用不确定度为0.25%的临界流文丘利喷嘴作流量标准装置，按AGA.NO.9^［4］报告草案并结合JJGl98-94检定规程^[5]分别进行了以下不同测试：①不同声道（五、四、三、二、一）；②不同管径（DN300、DN150）；③不同安装条件（理想管路条件、非理想管路条件；"理想条件"是指安装条件较理想，如170D以内无弯头，无过渡部件，无阻力件等。流场较稳定，如无脉动流，无旋涡流；"非理想条件"是指在超声流量计上游13D前人为加入阻力件、双弯头、T形弯头、伸缩器、汇管等）；④不同安装方向（流量计正、反向安装，声道水平、垂直安装）；⑤不同压力（2.0MPa、1.2MPa、0.8MPa）。
　　（1）超声流量计适宜于高压、大口径、大流量工况条件，但对小流量尤其是拐点（zui大流量的10%，用Qt表示）以下流量段应慎用（见图1）。

图1 12"Q.Sonic-5S超声流量计理想管路后和非理想管路后测试结果比较（标况）
说明：双弯头后测试中，除流量为240m³/h时，其相对示值误差为1.45%外，其余各点都在指标内。

（2）超声流量计的计量不受气体流向的影响，能以相同准确度进行双向流量计量（见图2）。

图2 12''4S超声流量计理想管路下正、反向流量示值误差比较图（流量计系数0.9962）

（3）对同一生产厂家的超声流量计，声道数越多，流量计量准确度越高，性能越可靠（见表1）。

表1 相同条件下声道数对超声流量计的影响

序号	声道数	安装条件	Qt以上		Qt以下
序号	声道数	安装条件	相对示值误差（%）	重复性（%）	相对示值误差（%）	重复性（%）
1	五声道	理想条件	-0.32	0.16	-0.64	0.30
2	三声道	理想条件	-0.38	0.20	0.93	0.26
3	双声道	理想条件	-0.65	0.39	-0.77	0.26
4	单声道	理想条件	0.96	0.44	-1.14	0.48

　　（4）超声流量计的出厂检定与实流标定之间存在一系统误差，出厂干检法检定合格需经实流校准，有时由于安装造成的误差可能超过0.3%。如4S超声流量计其出厂时流量系数定为0.9962，在理想管路测试能保证度优于±0.5%，但在非理想管路条件下实流校准设置的参数，在"理想管路条件"2.0MPa与0.7MPa压力测试时，偏差大于AGA.NO.9关于管路安装影响不大于0.3%的规定，因此应根据现场工况条件进行实流标定（见图3）。

图3 理想管路条件下流量系数调整前、后测试结果比较图

　　（5）DN300三声道超声流量计在"非理想管路条件"下和同等条件下的四声道流量计测试结果可以看出，在流量计声道出现故障时，能有效进行诊断和补偿（见图4）。

图4 超声流量计非理想管路条件下0.8MPa压力三声道、四声道工况流量相对示值误差图（流程二，流量计系数=0.9962）

　　（6）超声流量计在"理想管路条件"下（超声流量计上游直管段170D，下游直管段15D）2.0、1.2、0.8MPa压力下，工况流量示值相对误差略有不同，但流量相对示值误差、重复性和峰间误差均符合AGA.NO.9号报告要求，详见图5。说明在超声流量计入口无旋涡流，脉动流情况下，在正常工作压力范围内，能保证精度优于±0.5%。

图5 超声流量计理想管路条件正向流不同压力工况流量相对示值误差图（流量计系数=0.9962）

2 现场应用

　　本测试中的DN300五声道超声流量计与DN300 4S超声流量计均在青白江站进行了现场应用，并与孔板流量汁进行了在线比对。实验管路的工作压力约0.9MPa（表压），流量约为160万方/日（约相当于6000m³/h）；同时另一台DN500 5S气体超声流量计和DN150单声道气体超声流量计分别在北京集输公司和四川德阳进行了现场应用；另外，气体超声流量计在克拉玛依、长庆油田等均进行了现场应用^[6]，结果共同表明其性能稳定、可靠，能适应压力、流量具有一定波动幅度的工况条件，流量计算机能自动显示瞬时流量、累积流量、压力、温度等各种参数，具有无压损、可测脉动流、自动化程度高、现场使用操作简便、故障自诊断能力强、测量范围宽、抗*力强等特点。

结　　论

　　对大口径、高流量的计量系统宜采用超声流量计
　　超声流量计计量准确度可优于±0.5%，其具有准确度高、重复性好、量程比宽、抗*力较强、维修量小、可测双向流等特点。为保证计量系统精度，在现场使用前须经实流测试校准，在Qt以下流量段应慎用。

参考文献

1 ISO5167-（1991）Measurement of Fluid Flow by mean of Orifice plates, No33Lesand Venturi Tubes Inserted in Circular cross-section Conduits Running Flull 1990
2 ISO/TR 3313 Measurement of Plusating Fluid Flow in a pipe by mean of Orifice plates, No33LS Or Venturi Tubes 1992
3 孙淮清气体超声流量计与孔板流量计在天然气工业中应用的比较石油工业技术监督，1998，6
4 中华人民共和国国家计量检定规程汇编（三）北京：中国计量出版社，1995，2

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