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声速核查技术在气体超声流量计使用中检验中的应用实践

时间:2018/06/13来源:未知

摘要:伴随天然气产业迅速发展, 超声流量计被广泛应用于高压力、大口径、大流量的天然气长输管道的计量中, 并已成为主流趋势。但是依据检定规程, 超声流量计按周期进行实流检定将耗费大量的人力、物力和财力, 产生巨大的维护费用。文章根据相关标准提出的定期开展超声流量计使用中检验以延长实流检定周期的规定, 结合在检验过程中声速核查技术的应用实践, 介绍了声速核查的原理和实施方法, 并通过对开展使用中检验的数据的统计分析, 证明了声速核查的有效性与可实施性。

伴随天然气产业迅速发展, 中亚管道、中缅管道、西气东输等天然气长输管道相继投产运行, 天然气贸易计量的重要性日益突出。超声流量计凭借其高精度、高量程比、压损小、无可动部件、维护简单等优点, 广泛应用于高压力、大口径、大流量的中亚管道、中缅管道等天然气长输管道的计量中, 优势明显[1]。

根据我国《计量法》的规定, 用于贸易交接的流量计属强制检定计量器具, 须依法开展周期检定。但是, 按照JJG 1030—2007[2]的要求, 每2年对长输管道上的超声流量计进行一次拆卸、转运、实流检定和安装, 将消耗大量的人力、物力和财力[3]。JJG 1030明确规定:如流量计具有自诊断功能, 且能够保留报警记录, 也可每6年检定一次并每年在使用现场进行使用中检验。这将有效延长超声流量计实流检定的间隔周期, 大大减少因重复安装调试所投入的维护费用。

本文将依据JJG 1030中的相关要求, 介绍声速核查在超声流量计使用中检验中的实际应用, 并以中亚管道霍尔果斯末站Daniel超声流量计的使用中检验为实例, 探讨声速核查的有效性与可实施性。

1 声速核查的原理

超声流量计的基本计量原理决定了利用声速核查技术对其进行使用中检验的可行性。超声波信号通过管道内流动的介质, 在2个超声换能器间传播的时间取决于介质的流速。如图1所示, 时差法正是通过测量超声波信号在流动介质中顺流与逆流传播的时间差来计算流量的[4-8]。

图1 超声流量计工作原理通用示意图

图1 超声流量计工作原理通用示意图

 

图中, A、B为两个超声换能器, 两者的安装角度为Φ (又称声道角, 不能为零) , 两者之间的距离为L (声道长度) , 超声流量计内径为D, 超声波信号在静止流体中的传播速度为cf。管道中流体的速度为vm, 管道的横截面积为S。

当超声换能器A发射超声波信号, B接收时, 超声波沿L的传播速度为:

计算公式

当超声换能器B发射超声波信号, A接收时, 超声波沿L的传播速度为:

计算公式

由式 (1) 和式 (2) 可分别计算出超声波信号由A到B顺流传播和由B到A逆流传播的时间:

计算公式

由式 (3) 和式 (4) 可消除cf, 可计算得到管道中流体的速度vm的表达式:

计算公式

式 (5) 中L和Φ为常数, 因此, 对于基于时间和长度两个基本量来测得流速的超声流量计而言, 只要得到tAB和tBA的值, 便可知道管道内流体的速度值vm, 与管道的横截面积S相乘, 即可计算出管道内流体的平均流量。

由式 (3) 和式 (4) 消除流速vm, 可计算得到声速cf的表达式:

计算公式

由式 (5) 和式 (6) 可知, 超声流量计实测声速cf的正确与否与tAB和tBA测量是否准确紧密相关, 而超声流量计是通过tAB和tBA的值计算得到流量的, 因此实测声速cf的准确性可直接反应超声流量计计量的准确度。

同时, 通过AGA 8号报告[9]给出的AGA 8-92 DC计算方程, 以天然气组分、温度和压力为输入, 可计算得到管道天然气的压缩因子, 进而通过AGA 10号报告[10]给出的理论声速计算方程, 计算出超声波信号在天然气中的理论传播速度, 与超声流量计实际测得的声速进行核查比对。

AGA 10号报告给出的理论声速基本计算公式为:

计算公式

式中:c为计算出的理论声速, m·s-1;R为气体常数, MJ·kmol-1·K-1;T为管道内的流体温度, K;Mr为天然气的摩尔质量, kg·kmol-1;Z为天然气的压缩因子;ρm为天然气的摩尔密度, kmol·m-3;cp和cv分别为天然气实际状态下的定压比热容和定容比热容, k J·kg-1·K-1。

2 声速核查的实施

声速核查的具体实施主要包括配套标准设备的检查, 被检验流量计的机械检查和状态检查, 开展声速核查, 以及核查结果的计算与处理等4个步骤[2]。

2.1 配套标准设备检查

对被检验流量计配套的标准设备 (在线色谱分析仪、温度和压力变送器) 及其安装条件, 以及各标准设备的检定证书进行检查。其中, 色谱分析仪的技术性能应满足GB/T 13610的要求, 并按技术要求进行选择与安装, 其测量准确度应达到0.05%。温度、压力变送器应分别按照JJG1030中7.1.1.4和7.1.1.5的规定安装在被检验流量计附近, 并经检验合格, 压力变送器的准确度应优于0.1%, 温度变送器的准确度应优于0.1℃。

2.2 被检验流量计机械及状态检查

首先, 按照检定规程, 在现场对被检验流量计进行安装检查、管径检查, 确认流量计安装无误。然后, 对报警文件中的故障报警时间、类型、状态记录等信息进行检查, 确认无流量计自身原因产生的, 能够引起计量错误的报警的情况;对流量计的修正系数和干标系数进行检查, 确认未有改动, 与流量计检定证书上的信息一致。最后, 对被检验流量计关键指标 (各声道增益值、信号质量和信噪比等) 进行检查, 并与前一次检查的数据进行比较, 其偏差应在产品说明书允许的范围内。如果存在过大偏差, 应将流量计送检。

2.2.1 增益 (AGC)

各声道的信号增益值指的是流量计给超声换能器所供应的驱动能量的大小, 随着天然气压力、流速以及超声换能器赃污情况的变化而变化, 工况条件较好时其值较低, 工况条件较差时其值较高。

2.2.2 信噪比 (SNR)

信噪比是指超声流量计信号强度和噪声强度的比值, 其值越大越好。厂家一般会给出超声流量计正常工作时信噪比的示值范围。

2.2.3 信号质量 (Performance)

信号质量=接收信号数/发射信号数。不同厂家对其超声流量计的信号质量的要求不尽相同。

2.2.4 流速特性

流速特性可以用流速剖面系数 (Profile Factor) 和对称性 (Symmetry) 来描述, 主要反映的是天然气在超声流量计内流态的均匀度以及流量计内壁的清洁情况。流速剖面系数越小, 说明外部声道 (声道A和声道D) 的平均测量流速越大, 则流量计内壁越洁净, 其上的黏贴物越少。对称性接近1, 则说明流量计内部天然气的流态正常, 非对称流很小。

流速剖面系数: (VB+VC) / (VA+VD) , 对称性: (VA+VB) / (VC+VD) 。其中, VA、VB、VC、VD分别为A、B、C、D声道的平均测量流速。

2.3 开展声速核查

2.3.1 核查流量点的选择及核查次数

声速核查时流量点的选择应遵循检定时流量点选择的原则, 即流量计最小流量或系统能到达的最小流量, 分界流量, 系统能达到的最大流量, 以及在分界流量和最大流量中间等分的1至2个流量点。在一般的天然气计量站, 由于流量计固定流量点使用, 流量无法调节, 因此核查流量点也可只选择实际使用的流量点, 但需在检验报告上注明:定点使用。每个流量点的核查次数应不少于3次, 对于准确度等级不低于0.5级的流量计, 每个流量点的核查次数应不少于6次。

2.3.2 声速核查的具体操作步骤

将流量调节并稳定在规定的流量点后, 进行在线色谱分析、声速测量和被检验流量计的输出记录, 同时记录标准设备和被检验流量计的测定结果。在声速核查期间需要记录的被检验流量计的输出主要包括:每个声道的瞬时声速值和平均声速值, 总平均声速值, 每个声道的流速值, 顺流及逆流的传输时间, 以及通过流量计的平均轴向流速;需要记录的被检验流量计配套标准设备的输出包括:在线色谱分析仪取出样品的摩尔百分比, 核查期间管道内温度、压力的平均值。

2.4 核查结果的计算与处理

严格按照AGA8和AGA10报告给出的方法, 计算得到每个声速核查点的声速值。在检验报告中, 应给出全部声速核查的数据及其计算结果, 并说明是否符合要求。如有一项及以上不符合要求, 则该流量计必须送检。

3 声速核查应用实例

中亚管道霍尔果斯末站在Daniel超声流量计检定合格后, 已成功应用声速核查技术延长了检定周期。

实施声速核查时, 在完成对被检验流量计配套标准设备的检查后, 检定员以图2所示的方式, 利用装有检测软件的防爆电脑, 通过以太网连接, 由霍尔果斯末站的流量计算机中读取天然气的温度、压力、组分以及超声流量计运行稳定工况下的流速、声速、信噪比、信号质量、信号增益值等参数, 并生成报告。

图2 数据采集设备通讯连接图

图2 数据采集设备通讯连接图

 

以霍尔果斯末站FT5201流量计 (出厂编号为09-170217) 为例, 对2011~2016年检验报告中关键技术指标和声速核查数据进行统计分析。如图3所示, 根据6年来声速核查采集和计算得到的数据, 参考Daniel超声流量计说明书给出的建议, 如表1所示, 流量计的关键技术指标能够达到相关要求。

表1 Daniel超声流量计关键指标诊断参数

表1 Daniel超声流量计关键指标诊断参数

图3 FT5201超声流量计声速核查关键指标统计数据图

图3 FT5201超声流量计声速核查关键指标统计数据图

 

6年来, 每年进行的声速核查均对5 000 m3/h和8 000 m3/h 2个流量点进行了测试, 测试结果如图4所示, 可以看出:FT5201流量计的平均测量声速与理论计算声速最大示值误差为0.16%, 小于0.2% (Daniel流量计说明书规定值) , 满足JJG1030—2007中“对于被检流量计, 每个声道的声速值的偏差及总的声速值与计算的声速值偏差不大于流量计说明书的规定值”的要求, 结合超声流量计关键指标的诊断结果, 说明被检流量计一直处于“健康”状态, 工作正常。

图4 声速核查结果

图4 声速核查结果

 

2017年, 在成功将检定周期由2年延长至6年之后, 霍尔果斯末站将FT5201超声流量计送至南京分站开展检定。如表2和表3所示, 检定过程中进行的声速核查和实流测试数据均符合JJG1030—2007中针对声速核查和实流检定的要求, 表明该超声流量计处于正常状态, 从而说明2011年至2016年进行的声速核查的数据与结果是可靠的, 进而印证了声速核查的有效性与可实施性。

表2 FT5201超声流量计2017年检定时声速核查结果  表3 FT5201超声流量计2017年实流检定测试结果
表2 FT5201超声流量计2017年检定时声速核查结果  表3 FT5201超声流量计2017年实流检定测试结果

 

4 结束语

对于高压、大口径、大流量天然气管输计量, 超声波流量计的应用已经成为一种主流趋势。南京分站在开展超声流量计实流检定过程中, 发现Daniel、Elster、Sick、RMG、中核维思等国内外厂家的超声流量计均已开发并具备了声速核查功能, 可对流量计的运行状况进行自诊断。利用声速核查技术开展超声流量计的使用中检验, 对流量计在使用一段时间后在现场的真实使用状态给出综合评判, 不仅能够提高超声流量计运行的可靠性和天然气输差原因分析的科学性, 同时还能延长超声流量计的实流检定周期, 降低维护成本。


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