作者:刘建海
摘要:对天然气超声波流量计测量原理进行介绍,同时,结合应用实例对该型流量计的基本安装要求、投运、故障排查与维护处理、使用须知等事宜进行阐述,为该型流量计在行业中的应用提供一定参考。
关键词:天然气;超声波;流量计;安装;投运;故障分析
气体超声波流量计作为一种高性能流量计,以其测量准确度高、压力损失低、抗干扰能力强、气质要求低、测量介质种类多、重复性好、量程宽等特性,在天然气贸易交接计量中日益得到广泛应用。
1、超声流量计的测量原理
气体超声波流量计是利用超声脉冲在气流中传播的速度与气流的速度有对应的关系,即顺流时的超声脉冲传播速度比逆流时传播的速度要快, 这2种超声脉冲传播的时间差越大,则流量也越大的原理进行设计。
在实际工作过程中,处在上下游的换能器将同时发射超声波脉冲,显然一个是逆流传播,一个是顺流传播。气流的作用将使2束脉冲以不同的传播时间到达接收换能器。由于2束脉冲传播的实际路程相同,传输时间的不同直接反映了气体流速的大小。超声气体流量计由流量计表体、超声换能器及其安装部件、信号处理单元和流量计算机组成,高精确度的气体流量计所采用的声道布置通常采用平行对称布置和交叉反射布置。
随着测量精度和需求的不同,常选用3声道、4声道及目前最高的6声道产品,目前国内燃气公司和工厂主要选用4声道产品。
2 管路安装及投运要求
2.1 管路安装
目前,对超声流量计安装要求的试验研究还十分有限,《用气体超声流量计测量天然气流量》(GB/T18604-2001)中也仅是给出流量计上、下游最短直管段长度的推荐值,即上游工艺条件较为理想时(如安装了流动调整器),单项流动时,要求上游直管段满足10倍流量计内径(用10D表示),下游直管段满足5D;双向流动时,上、下游直管段均应至少满足10倍流量计内径。
根据国家自然科学基金青年基金资助项目(编号:50809075)的研究成果[3],DN100超声波流量计在无整流器的管路结构中,其上游汇管进出口错开时较汇管进出口相对时对下游的扰动强约3~5倍,实验
表明,汇管进出口相对且无整流器管路的流量计前直管段安装长度至少为19倍管径,在有整流器的管路结构中,经整流器剧烈混合后的天然气在汇管进出口相对与错开两种管路的情况下流动10倍管径距离后
恢复均匀,扰动明显减弱。在上游汇管进出口错开的管路结构的扰动情况明显强于汇管进出口相对管路,汇管内的天然气会因管路结构、速度等因素的变化产生拥塞、回流,使天然气的扰动增强、分布不均匀,甚至发生汇管出口冰塞, 但经过整流器的整流后,流量计处的扰动已将汇管的扰动几乎消除,但实验并未明确表前其直管段长度,是实验的缺陷之一。
笔者认为,以上实验仅代表DN100流量计个例,不能以点带面,很显然大口径管道内的气体流态与小管径管道内的并不雷同,对于其他口径规格的流量计的流动状态,往往要通过群体性实验数据获得,而这类实验的费用很高,也制约了成果深化,设备选型及安装主要依据制造厂家的意见确定。
超声流量计表体安装各厂家要求各不相同,一般应保证表体水平安装,有的还应将表体法兰上定位销孔与上、下游直管段相应销孔对齐,同时要求上下游直管段必须随表定制。安装时应留有足够的检修空间及比对管路。超声流量计的内径、连接法兰及其紧邻的上、下游直管段应具有相同的内径,其偏差应在管径的±1%以内;与超声流量计匹配的直管段,其内壁应无锈蚀及其它机械损伤,应除去超声流量计及其连接管内的防锈油或沙石灰尘等附属物。使用中也应随时保持介质流通通道的干净、光滑。对单向流测量,应将温度计插孔设在超声流量计下游距法兰端面2~5D之间;对双向流进行测量,温度计插孔应设在距超声流量计法兰端面至少3D的位置;尽量使用Π型管道结构的降噪设计工艺。
2.2超声波流量计的投运
流量计投用以前应按国家标准或规程进行标定或实流校准。检查各种信号线,电源线连接完好。先打开进口旁通阀,给管道缓慢充气,然后缓慢打开进口截止阀(至少持续1min),避免流量计过高压差或过高流速,给管道缓慢加压,达到流量计的运行压力。检查所有的法兰连接处和引压接头及温度传感器的插入接头处是否有气体泄漏。对照厂家提供的系统接线图,检查所有接线无误。流量计最高流速不应超过30m/s,流量计在启用前要求进行零流量测试,现场不具备条件应进行工况条件下的零流量测试(零流量测试就是关闭超声流量计的上、下游阀门,使流过流量计的气体流速为零,等管道内气体温度稳定后,读取零流速读数,每个声道的气体流速至少记录30s,要求零流速读数应小于12mm/s)。
3、故障排查与维护处理
3.1 没有流量显示故障分析
故障分析:信号电缆及接头、直流电源的电压、电源线及用户一端的接口有无断路或接触不良;保险丝是否烧断;超声换能器或显示单元是否损坏。维护处理:检查控制器的显示(LED、LCD),查看有故障代码显示,根据故障代码的提示进行调整;用欧姆表排查接口、保险丝,根据结果,更换保险丝、连接断路或接触不良接口;查看显示单元及换能器是否异常,根据异常处,更换与其相同型号规格或厂家推荐型号的显示单元或换能器。
3.2 测量误差超差
故障分析:确认管道状态和安装数据是否满足设计要求;管道内壁是否有附着物或锈蚀层;检查管道内是否有堆积物;直管段是否满足要求。维护处理:重新确认管道材质、内径、壁厚、管道内衬材质及厚度;附着物锈蚀层使管道内径变化截面积变小产生流量误差,视情况去除附着物、改变设置的内径尺寸或更换管道;管道内出现堆积物时被测流体的截面积变小,但流量计仍是按着没有堆积的截面积进行计算,所以测量的流量偏大,要去除堆积物或更换到其他地点安装;直管段短时被测流体的流态不能得到充分稳定,受流态的影响误差会增大,更换到直管段满足要求的地方;若上述操作不能排除问题,则认为是流量计调整、设定存在问题,建议请厂家来维护。
3.3 在静止状态下流量指示不为零故障分析
检查阀门是否完全关闭;检查管道内是否有对流现象;流量计零点调整是否存在问题。维护处理:阀门虽然关闭了,但经常有未完全关闭到位的情况,将阀门关闭到位;由于管道各部位的温度不同,管道内会产生对流现象,提高零流量门槛电压来调整;在流体完全静止状态下重新进行零点调整。
4、应用案例
某刚投产长输管道输气站采用DN250的超声流量计,进行计量后向省管网供气,最大工作压力为10MPa。进站压力为5.4MPa,出站压力为2.5MPa,流量计安装正确。投产初期,发现流量计计数与下游管网首站同类型超声流量计偏差超过10%。由于投产前用水作为试压介质对管道进行了通球清管。试压、清管结束后未干燥彻底,管道内残留部分湿空气。站内管道裸露在空气中,且输气压力较高,导致了管道内积水结冰。通过注醇、在裸露管道上增加保温层、清管,降低了天然气的水露点,提高管内气体温度, 减少了管道内积水,有效解决了冰堵,使流量计测量误差控制在双方商定范围之内。
5、使用注意事项
(1)超声波流量计在应用中应注意保持探头清洁,当增益值/噪声或信噪比/信号质量等反映探头清洁程度的技术指标接近或达到界限值时,超声流量计的计量结果不准确,当表体和直管段脏污时也会影响计量结果。因此,气体超声流量计探头、表体及上下游直管段的清洗是维护保养的一项重要工作。
(2)用于贸易交接计量的超声流量计及其二次仪表应按照相关规程的要求进行周期检定。气体超声流量计的检定分为离线检定和在线校准。
(3)当超声流量计安装在一些阀门附近时,特别是安装在阀门的下游时,当气流速度很高时,阀门两端有较大的压降时,一些阀门以及一些所谓的低噪声阀会产生大量的超声噪声,超声信号可能被超声噪声所淹没而无法分辨,影响超声流量计正常工作。
(4)当气体温度太高(100℃以上),或在大口径管道中气体压力极低(低于0.1MPa),流速也极低(小于0.5mm/s)情况下,超声波流量计不适用。
参 考 文 献
[1] 黄黎明,陈赓良,张福元等.天然气能量计量理论与实践[M].北京:石油工业出版社,2010.
[2] 王辉.气体超声流量计故障分析与校准[J].计量技术,2011(1):59-61.
[3]张永学,师志成,刘畅.带汇管的天然气管路对流量计量性能的影响研究[J].石油化工高等学校学报,2011,24(2):84-86.
[4]李振林.整流器对天然气管道内计量段流动影响的数值模拟[J].石油化工高等学校学报,2008,21(1):78-81.4
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作者: 2021-01-11 09:58:40 来源: