影响超声波流量计计量天然气误差的主要因素

超声波流量计自20 世纪90 年代用于天然气流量计量以来, 在欧美等发达国家的高压、大流量天然气计量中得到了广泛的应用。近年来, 欧美等知名实验室（如美国CEESI 、荷兰NMi 等）均针对其计量性能影响因素开展了研究, 并且对相关的标准已开始进行制订或修订。我国自21 世纪初开始在天然气流量计量领域中引入超声波流量计, 并且随着我国天然气工业的发展, 已有几百台超声波流量计正在或将要用于高压、大流量的天然气贸易计量。超声波流量计在高压、大流量的天然气流量计量中虽然具有其他流量计所不可比拟的优势, 但是由于实际使用条件往往与实验室条件差异较大。因此, 为确保其计量性能,仍然需要注意几个方面的问题, 如:由于噪声、脏污等影响造成超声波流量计计量准确度降低, 甚至完全不能正常工作;同时, 由于温度和压力测量仪表也是超声波流量计计量系统中的一部分, 因而温度和压力的测量准确度将直接影响到计量系统的准确度。

影响计量系统性能的现场因素：

1. 噪声。管路系统中由于阀门、整流器以及各类阻流管件等的存在总会产生一定的噪声, 但是, 现场不断变化的工况条件(如流量、压力和温度)以及各种不同类型的“噪声发生器”(流动调整器、压力调节阀等)都使得对噪声大小的确定较为困难。总的来说, 噪声的产生源主要有:①流过管道的高速气流;②突入的探头;③整流器;④压力或流量调节阀等。根据超声波流量计的工作原理可以知道, 如果噪声的频率与超声波流量计的工作频率范围一致, 就会干扰到超声波脉冲的探测、影响到对传输时间的准确测量,最终导致体积流量的测量不准。超声波流量计对降压元件产生的噪声尤其敏感, 甚至有些低噪声阀门比调压阀对超声波流量计产生的影响还要大, 这是因为采用了低噪声技术的阀门主要是针对人耳可听见的噪声范围进行降噪, 而这个范围与影响超声波信噪比的声谱范围不完全一致。国外气体流量实验室（Gasunie Research , 荷兰）开展的不同类型的“噪声发器”(如整流器、调压阀等)对超声波流量计性能影响的定量测量实验研究结果表明, 噪声(如整流器产生的噪声)对某些类型的气体超声波流量计准确度和稳定性的影响非常大, 其带来的计量误差可高达2 %, 而且一般来说, 安装在超声波流量计上游的噪声元件产生的影响比安装在下游大。在2004 年AGA No.9 的修订版中也特别提出了调压阀安装位置太近以及压差过大产生的噪声对超声波计量性能的影响及有关注意事项。

2. 脏污堆积。含水、硫化铁粉末或其他脏污的天然气流过超声波流量计时, 脏污逐渐堆积在流量计表体管道内以及超声波探头上, 可能会影响超声波流量计的准确度, 其影响主要有以下3 个方面：①减小了流量计表体的有效内径, 流量计读数偏高。②脏污在超声波探头表面堆积缩短了传输时间, 流量计读数偏高;但如果流量计内壁有较明显的腐蚀, 经过清洗后, 流量计的内径就会增大。由于流量与内径的平方呈正比, 因此, 流量计测量出的流量将小于实际流经流量计的流量, 造成流量计的读数偏低。③表体内壁及上游直管段的表面粗糙度变化引起流速分布的变化, 从而影响流量计的准确度和稳定性。不同厂家的超声波流量计的声道布置差异导致对脏污物堆积影响的敏感程度各不相同。有实验表明, 脏污堆积对口径小的超声波流量计较口径大的超声波流量计的影响更大。

3. 温度、压力测量的准确度。超声波流量计计量系统一般由流量计、压力变送器、温度变送器(或温度铂电阻)、流量计算机及在线组分分析仪组成, 通过输入组分及压力、温度, 流量计算机可直接将流量计的工况流量转换为用于贸易计量交接的标准参比条件下的体积量。压力和温度的测量直接影响计量系统的准确度。在超声波流量计计量系统中, 现场使用的温度和压力测量仪表均经过实验室检定合格, 但仍然会出现流量计算机的温度或压力示值不准确的情况。在对超声波流量计计量系统的天然气实流检定过程中，发现由于压力或温度测量的不准确给标准参比条件下体积量带来的误差可高达±0. 5 %。同时, 国外一些流体实验室的研究表明, 虽然压力变送器可在其铭牌标明的工作温度范围内正常工作, 但在室外环境温度较高的情况下(即压力变送器曝晒于阳光下, 此时变送器的工作温度与实验室校准温度差异较大), 其压力测量值与进行了防晒保护的压力变送器测量值的差值可高达18 ～ 20 kPa 。因此, 为确保超声波流量计计量系统的准确度, 必须要保证压力和温度测量仪表的准确、可靠。

减小现场因素影响的措施：

1. 降低噪声的影响：①为尽量降低噪声对超声波流量计计量准确度和可靠性的影响, 在计量管路系统设计时, 应对管路系统中的各阻流件所产生的噪声进行综合评估,较为特殊的管路系统, 设计时可向流量计生产厂家咨询。②在超声波流量计与调节阀(如调压阀)串联安装时, 应咨询生产厂家, 对调节阀产生的噪声进行评估, 并了解流量计对噪声的敏感程度。一般而言,如果调节阀安装在超声波流量计上游时, 为降低调节阀对流量计计量准确度及可靠性的影响, 通常需要较长的上游直管段, 非常不经济。同时, 如果调节阀的噪声水平较高, 常常会导致流量计不能正常工作。因此, 超声波流量计不宜安装在调节阀下游。③一些流量控制阀和调压阀在大压差、高流速的情况下会产生达到超声波频率范围的噪声, 某些静音调压阀的工作频率也达到了超声波频率范围,这些都可能会使流量计不能正常工作。由于这种噪声可向上游传播, 也可向下游传播。因此, 即使调节阀安装在流量计下游时, 也需要考虑噪声对流量计计量性能的影响。这种情况下, 可采取干扰噪声的传播通道的方式达到降噪的目的, 即：可在流量计与调节阀之间安装弯头、三通, 或者安装消声器。

2. 减少内壁脏污堆积：①加强对天然气气质的监测, 确定合理的直管段和流量计的清洗周期。在对超声波流量计内壁进行清洗后, 如果发现内壁腐蚀较明显, 宜对其重新进行校准。因为如果流量计内壁有较明显的腐蚀, 那么经过清洗后, 流量计的内径就会增大。而且, 由于流量与内径的平方呈正比, 因而流量计测量出的流量将小于实际流经流量计的流量, 造成流量计的测量误差偏负。因此, 建议对其重新进行校准。②目前, 各超声波流量计生产厂家均开发有对超声波流量计现场计量性能进行监测的专用软件。在实际使用中可充分利用这些软件, 了解超声波流量计的工作情况, 并根据相关参数判断流量计是否工作正常以及可能出现的问题等。例如:如果超声波流量计内壁的脏物堆积严重, 那么声道的接收率、增益等参数就可能会超过生产厂家给定的合理范围。这时, 就可根据对气质的监测情况进行综合分析, 最后判断原因。③气质条件较差时, 针对多台超声波流量计并联计量的管路系统, 可选择少量的较大口径的超声波流量计来减小整体测量不确定度。

3. 保证压力、温度测量的准确性：①选择合适的测量范围, 避免仪表的实际工作范围处于量程的10 %以下, 从而造成测量误差处在仪表的扩展误差限内。②计量系统投运前, 应对压力和温度测量值进行现场核查。如使用手操器核查流量计算机内的压力变送器和温度变送器示值误差是否符合精度等级要求。某些使用温度铂电阻作为温度测量仪表的计量系统, 其流量计算机有温度校准功能, 可使用标准电阻箱输入标准电阻, 对温度进行校准。③对于室外工作的变送器宜设置遮阳棚, 以免环境温度接近其设计工作温度的上限, 造成较大的测量误差。
   

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