超声波流量计在气田贸易计量中的应用分析

　　随着青、甘、宁三省区对天然气的需求量日益剧增, 2001年建成投产的涩-宁-兰管线(设计年输气量为34亿m3)难以满足三省区人民的用气需求。为了保障3省8市6县工业用户正常生产,广大居民安居乐业,认真履行好天然气安全生产的“社会、政治、经济”三大责任,天然气开发公司于2009年11月顺利实现向涩-宁-兰复线供气。天然气开发公司与兰州管道分公司涩-宁-兰复线贸易交接计量点位于涩北一号气田5号集气站,复线共装有4台美国Daniel公司生产的超声波流量计,流量计口径分别为DN250和DN200各两台, 4路外输计量设计年输气量为34亿m3。

　　1　工作原理及特点

　　(1)超声波流量计的工作原理

　　超声波流量计是通过测量高频声脉冲传播时间得出气体流量的速度式流量计。超声脉冲穿过管道如同渡船渡过河流一样,声脉冲在管道内向上游和下游斜线方向传播如图1所示[1],如果管道没有气体流动,声波将以相同速度向两个方向传播。当管道内的气体流速不为零时,沿气流方向顺流传播的脉冲将加快速度,而逆流传播的脉冲将减慢。因此,对于没有气流的情况,顺流传播的时间将缩短,逆流传播的时间会增长,分别测量它们的传播时间(这两个传播时间由电子电路进行测量的),其传播时间差与气体的平均流速有关,时间差越大,则流量越大,只要精确地测出时间,就可以准确计算出流量。因为沿顺流方向声道上声速传播的声脉冲增大,即叠加一个气流速的速度分量;而逆流方向声道上声速传播的声脉冲减少,因为它要减去一个气流速的速度分量,不论是叠加还是减去一个气流速,计算天然气流速,这样计算出的流速和时间也更准确。其计算公式为[1]:

式中: t1为超声波逆流传播时间; t2为超声波顺流传播时间; L为超声波在流体中的传播路径长度; V为气体的流速; X为声道距离; C为在被检介质(气体)静态时的声速; D为管道直径。

　　超声波流量计装在一段圆管外,管内无任何遮挡物件,在工作状态时,充满管道、连续流动的天然气直流通过圆管,通过气量的大、小,会对其测量的准确性有一定的影响。从超声波流量计的工作原理图计算公式中不难看出, D、L、X三个量经标定后是一个准确值、一个不变量,不会对测量准确性有太大的影响,最重要是对时间的精确测量,因传播时间与气体的平均流速有关,关键是流速的测量和状态的定性问题,流速测量越准,气量的计算就越准确,计量的准确度也就提高了。

　　超声波流量计的设计是基于对任何稳定的管道内流体,其流速是以管轴为中心对称分布这一原理设计的。而实际情况是流体在管道内流动时,流速很少沿管轴对称分布,它们受上游管道的安装、管道状况、现场阻流件和其他因素的影响,所有这些都会影响流体流速的对称分布。为此,各流量计生产厂家做了许多模拟实验,提出了非对称流体流量测量的解决方案。如应用在涩-宁-兰复线计量系统中的Daniel四声道超声波流量计,采用对射式,四组对射超声探头分别分布在四个平行的平面上,超声探头呈“X”型分布,使之更有利于涡流或偏流等流体的测量。