摘要：氣體超聲流童計與孔板流量計在天然氣工業中應用的兩個主要方面流體流動特性對儀表性能的影響和流童計的干校問題進行比較,分析它們存在的問題及發展前景。還對其它儀表性能進行了比較。
90年代以來,氣體超聲流量計在天然氣工業中的成功應用有突破性的進展,一些天然氣流量計量的疑難問題可望獲得解決。據稱由于正確率高和維修費用低,多聲道氣體超聲流量計已被氣體工業界接受。多聲道氣體超聲流量計是氣體渦輪流量計后被氣體工業界接受的最重要的流量計量器具。目前美國氣體協會(AGA)已經完成AGAeReortNo.9“用超聲流量計測量氣體流量”草案閉。制定有關國家標準與國際標準的準備工作正在進行。至今,已有12個國家的政府機構批準氣體超聲流量計為法定計量器具國外天然氣工業在貿易輸送,氣體分配、調合、控制和檢漏等方面都廣泛采用它。對天然氣工業中傳統的計量儀表孔板流量計與新型的氣體超聲流量計在儀表性能的兩個主要方面:流體流動特性對儀表性能的影響和流量計的干校問題進行比較,分析它們存在的問題及發展前景。
流體流動特性對儀表性能的影響
孔板流量計和氣體超聲流量計都是對流體流動特性變化敏感的儀表,如何消除不正常流動特性對儀表性能的影響一直是這二類儀表的主題之一。現在可以看到兩者解決此問題的方法有很大差別,在技術和經濟兩方面亦有不同有效果,分析它們的特點,對今后流量計的發展是有現實意義的。
l孔板流量計
本世紀20年代起人們就對流體流動特性對儀表性能的影響進行過大量的試驗研究,為了準備孔板流量計AGA(美國氣體協會)報告,從1924年到1935年美國進行過10年試驗研究,研究項日多達14項,其中大部分是關于流體流動特性的影響試驗。幾乎同時歐洲亦進行同樣內容的孔板流量計試驗研究,這些都為制定節流式差壓流量計國際標準奠定了基礎。現在ISO5167中關于節流裝置上下游必要的最短直管段長度的規定就是這些試驗研究的總結,在各類流量計中它的數據是最具權威性的。但是亦應看到,這些規定不但在內容上存在很大的爭議,而且在實際上也遠不能滿足現場的需要。ISO5167第一版(1980年)投票表決通過時,孔板流量計資料主要提供國美國卻投了反對票,其原因之一就是不同意標準中關于直管段長度的規定。由此引發80年代歐洲和美國對孔板流量計進行10余年的大規模研究試驗,至今它已取得巨大的成果,準備對ISO5167一1(1991年)[,〕進行修訂,修訂的主要內容之一就是關于直管段長度的規定。
孔板流量計為解決此問題進行研究試驗有以下特點:
(l)確定幾種典型的阻流件類型(ISO5167中為7種),進行各種口徑,b值,雷諾數范圍的試驗,確定在參比工作條件下(充分發展管流)所需的最短直管段長度。
(2)為縮短必要的直管段長度,在上游側安裝流動調整器(整流器),開發出幾種類型的流動調整器(ISO5167中為5種)。
(3)流動特性中關于非定常流(如脈動流)提出技術報告(ISO5167/TR3313)〔’〕,對脈動流的抑制及誤差估計提供一些數據供使用參考。
盡管已經取得上述成果,但是要應付現場的需要仍感很不滿足:
(l)現場的阻流件類型遠多于標準中提供的,并且阻流件之間的組合形式層出不窮,因此現場總感覺有些問題有待解決,例如天然氣輸配氣計量站出現較普遍的旋風分離器和匯管在標準中就沒有規定。
(2)試驗研究需花費巨大的人力物力,一種類型阻流件需進行各種口徑的試驗,每種口徑有一系列的月值,還有雷諾數(流量)范圍變化的試驗,可以想象,這種排列組合方式的試驗工作量有多么巨大,實在是不勝負擔的一項工作。
(3)采用流動調整器以縮短直管段長度不是一種好辦法,它會帶來附加壓損,流體中雜質易在其中堵塞,增加現場使用維護的工作量。
(4)非定常流的特例脈動流測量雖然有一個ISO技術報告(ISO/TR3313)可參考,但實際上孔板流量計是不適合用于脈動流測量的,其原因是信號(差壓)與流量為非線性關系(平方關系),引壓管線使信號遲滯及畸變,節流件對脈動波產生障礙形成波的反射等等。
2氣體超聲流量計
新型的氣體超聲流量計采取多聲道配置的方案來對付速度分布畸變及旋轉流等不正常流動特性的影響。例如多聲道氣體超聲流量計,其工作原理如圖l所示。流量計的檢測件是一個帶有5個超聲通道(聲道)的圓形短管,這5個聲道是這樣組成的:采用2個具有二次反射的聲道和3個單反射聲道,它們組成為一個超聲通道網絡,對整個管道橫截面積都能進行分析,在分析速度分布畸變與旋轉流對測量值影響的基礎上制定儀表信號處理方案。這種解決不正常流動特性的方法有以下特點:
(l)氣體超聲流量計檢測件是一段無阻礙物的圓管,與孔板流量計中有節流件阻礙相比對流動特性的影響較易分析。由于檢測件形狀的特殊性,而超聲流量計的檢測件是一段圓管,在流體力學專業資料中可以找到許多參考資料,因此二者處理此問題所依靠的背景資料有很大差別。
(2)氣體超聲流量計處理此問題是采取分析對象,制定檢測策略的方法,孔板流量計則進行一個個阻流件試驗,無論技術上或經濟上其效率與效果都很不相同,氣體超聲流量計的優點是顯然的。
(3)目前發展多聲道檢測件只能在較大口徑(DN150以上)應用,今后中小口徑如何解決相信氣體超聲流量計是會找到解決辦法的。
流量計的干校一一儀表系數的偏離問題對于大口徑(DN200以上)流量測量來說,流量計能否實行干校(無需實流校驗)是推廣應用的一個關鍵因素,某些情況下甚至是用戶采用與否的決定性因素。孔板流量計借助國際上長期的試驗研究及實踐經驗的總結,早在30年代就開始實行儀表的干校,這是它獲得廣泛應用的重要原因。氣體超聲流量計若要在天然氣工業輸配氣計量站得到廣泛應用,干校可能是一個必要條件,一般來說輸配氣計量站管線都是中大口徑的。
干校是儀表投用前確定流量計儀表系數(或流出系數)的一種方法,但是更重要的是干校確定的儀表系數在現場是否適用以及能否保持長期穩定。
l孔板流量計
孔板流量計干校后在現場使用時其流出系數可能偏離標準值的影響因素如表l所示。
由表可見:
(l)結構的偏離有些是制造時產生的,有些則是在長期使用中由于流體介質腐蝕、磨損、沽污等造成的,后者是更難解決的問題。
(2)管線布置的偏離是普遍性的,現場不能滿足直管段長度要求配置流動調整器不是一個好辦法,前面已談過,除此以外,只有增大測量誤差了。
(3)使用的偏離,現場情況千變萬化,很難維持實驗室的參比工作條件,這是現實情況。對于天然氣工業在原料氣測量領域(氣井到處理廠之間的天然氣),這一問題更為突出,孔板流量計在此領域基本上是不適用的。
我國制定的天然氣行業標準SY/T6143一1996《天然氣流量的標準孔板計量方法)中特別增加一個附錄(節流裝置在使用中出現部分偏離標準規定的處理》說明天然氣從地層中開采出來,雖經分離,除塵和過濾,因其所含成份十分復雜,從單井計量,集氣計量到配氣計量,氣質組分各不相同,所以節流裝置在作用中其沖刷、腐蝕亦各不相同,特別對孔板直角人口邊緣和測量管內壁的沖刷腐蝕尤為嚴重,因此在實際應用中采取在流出系數中增加二個修正系數,即孔板人口尖銳度修正系數和管壁粗糙度修正系數。這種解決辦法實在是不得已而為之,其效果并不理想。
孔板流量計易于偏離標準的原因應該從儀表本身的工作原理與結構特點去尋找。由于儀表特性取決于節流裝置的幾何形狀及尺寸,現場的長期應用難免不產生磨損、腐蝕和積垢等使幾何形狀及尺寸改變的情況,引壓管線是孔板流量計易發生故障的部件,據統計由于引壓管線堵塞、泄漏、凍結等使信號不正常約占儀表故障率的70%,其他如不正常流動特性引起的測量誤差只能采取一些消極的辦法解決。
氣體超聲流量計
氣體超聲流量計目前尚未普遍實行干校,但從儀表工作原理及結構上看實行干校是可能的困,只是目前成熟程度(干樣的必要條件)尚不能與孔板流量計相比,只要加強理論探討積累實踐經驗,實行干校只是時間上的問題。
以下我們來探討一下干校后會不會出現與孔板流量計一樣的問題,這是更為重要的方面。
氣體超聲流量計的流量方程。
式中
qv—體積流量;
L—超聲波在流體中的傳播路徑長度(聲道長度);
A—管道橫截面面積;
Ψ—超聲波傳播方向與流體流向之間的夾角(聲道角);
tab—超聲波從換能器a到換能器b的傳播時間;
t、—超聲波從換能器b到換能器a的傳播時間;
K—儀表系數。
由式(l)可見,體積流量的測量準確度決定于3部分:時間差,結構參數L,A, Ψ等的測量誤差和儀表系數K的準確度。
(l)與孔板流量計相比較,氣體超聲流量計沒有如節流裝置幾何形狀及尺寸變化影響儀表特性的問題,聲道長度,聲道角及管道橫截面面積是比較恒定的參數,亦沒有引壓管線之類易引起故障的部件,根據現場條件確定儀表系數及維持長期穩定是比較可能的。
(2)解決速度分布畸變與旋轉流的方法與孔板流量計不同,沒有阻流件對號人坐的問題,亦不采用會引起副作用的流動調整器,它是從聲道設置方案人手,更著重于軟測量方法解決問題,便于應付現場復雜多變的條件。
(3)對非定常流測量,氣體超聲流量計是完全適合的,其原因由儀表工作原理與結構所決定:①信號與流量(流速)為線性關系;②檢測件內無阻礙物;③非接觸測量;④測量采用高速數字信號處理技術。這些特點使它可以快速響應流體流動的動態變化。
其他儀表性能的比較
1范圍度
孔板流量計范圍度窄(約為3:1一4:1),近年來雖從多方面采取措施拓寬其范圍度,如采用寬量程差壓變送器,多臺差壓變送器并聯使用,采用可換孔板節流裝置以及智能流量顯示儀等等,但與氣體超聲流量計相比未免遜色。氣體超聲流量計范圍度可達40:1(DN150)一160:l(DN75O),在實際使用中流量計可測流量(流速)下限值是一個更重要的指標,我國大口徑氣體管道系統普遍運行低流速范圍(流速上限值僅5m/s,或更低),使得流量計選型困難。氣體超聲流量計下限流速偏差如表2所示。
如管徑為DN125時,測量誤差為1%,則下限流速可達:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管徑為DN1600時,測量誤差為l%,則下限流速可達:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.
據資料介紹,在天然氣輸配氣計量站中,一座用孔板流量計做為計量儀表的計量站,為滿足范圍度的要求,需設置4條DN400mm管線,如采用氣體超聲流量計則只需設置2條DN600mm管線或一條ND700mm管線,這樣采用氣體超聲流量計可節省一次性投資10一40%,節省占地空間50一75%,并且精度更高,工作更穩定,維護量更少。
2壓力損失
孔板流量計以壓損大著稱,而氣體超聲流量計恰是無壓損(僅相當于一段管道)儀表,對于大口徑,這個特點很重要,它可以節約能耗或適用于低靜壓氣體管道系統的測量。
3儀表造價
對于孔板流量計隨著口徑增大,檢測件造價及安裝成本大幅度提高,而氣體超聲流量計的檢測件制造成本與口徑大小的關系僅相當于管道價值的增加,因此它是一種特別適用于大口徑的儀表。
4使用維護
孔板流量計由3部分組成:節流裝置、差壓變送器和流量顯示儀。在現場惡劣工作條件作用下節流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線是使用維護的重點,天然氣輸配氣計量站為經常檢查孔板的質量,常增設旁路管或采用價格昂貴的可換孔板節流裝置,這些都使儀表及其輔助設備造價增加,也增加了維護工作量。氣體超聲流量計檢測件比較牢固,維護工作量少,甚至可做成插人式探頭,在不斷流情況下取出維修。
氣體超聲流量計與孔板流量計在天然氣工業中的應用進行一些比較,由上述可見,在大口徑測量方面,氣體超聲流量計無疑更為優越。孔板流量計畢竟已經發展數十年至上百年歷史,全世界流量工作者都對它進行過巨大的理論與實踐工作,取得極為豐富的經驗,相比之下,氣體超聲流量計僅剛嶄露頭角,尚需通過實踐走向成熟,至于中小口徑方面,需作更多的工作。
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