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天然气长输管线常用超声波流量计的日常诊断分析

时间:2018/08/07来源:未知

摘    要:超声波流量计日常诊断工作的开展, 可以有效地掌握流量计的运行情况, 发现计量设备的故障或者计量不准确的原因, 从而控制天然气长输管线的计量输差, 保证计量的公正、公平, 维护企业的经济利益。本文先容了Daniel、Elster、中核维思三个常用品牌的超声波流量计的工作原理、结构及诊断方法, 为计量设备的正常运行提供借鉴。

  随着现代经济快速发展, 天然气在一次能源消耗中的占比大幅增加, 不但促进了经济发展, 而且大大降低了污染物的排放。目前, 国内的天然气长输管线主要包括西气东输、川气东送、陕京、榆济等, 此类管线因为口径大、距离长、输气量大, 大部分采用性能较好的超声波流量计进行贸易交接。为了充分掌握流量计运行状况, 需要计量工程师定期 (一般一个月) 对流量计进行诊断。

  目前天然气长输管线常用的超声波流量计有三个品牌, 分别为Daniel、Instromet、中核维思。此三类流量计都基于时间差法来计算气体流速[1], 此类方法较为成熟, 且我国已颁布以时差法为原理的气体超声波流量计测量天然气流量的标准。

1、超声流量计工作原理:

  流量计以测量超声波在流动介质中传播时间与流量的关系为原理[2]。在有气体流动的管道中, 超声波顺流传播的速度要比逆流时快, 流过管道的气体流速越快, 超声波顺流和逆流传播的时间差越大。

  通常认为声波在流体中实际传播速度是先容静止状态下的声波传播速度和流体轴向平均流速在声波传播方向上的分量组成, 按图1所示。顺流和逆流传播时间与各量之间的关系如下式表达:

图1 声波传播示意图

图1 声波传播示意图

 

计算公式

 

式中:t顺———超声波在流体中顺流传播时间;

t逆———超声波在流体中逆流传播时间;

L———声波长度;

vm———流体的轴向平均流速;

φ———声道夹角。

利用超声波流量计的探头及内部处理器, 测量出t顺、t逆, 流量计管段的内径D、声程长度L及流量计的安装角度φ已由出厂确定。可由 (1) 、 (2) 式导出流体流速, 声波传播速度的表达式, 即:

计算公式

 

将测得的多个声道的流体流速利用数学函数关系联合起来, 可得到管道平均流速珔v, 乘以流量计截面积, 即可得到体积流qf。

计算公式

 

其中珔v的计算方法, 各厂家根据各自探头的分别情况不同有所不同。计量交接通常采用标准进行 (20℃, 0.1013MPa) 。通过气体状态方程可得:

计算公式

 

式中:qn———标准参比条件下的体积流量, Nm/s;

qf———工作条件下的体积流量, m3/s;

Pf———工作条件下的静压力, MPa;

Tf———工作条件下的气体热力学温度, K;

Zf———工作状态下的压缩因子, 无量纲;

Pn———标准条件下的静压力, MPa;

Tn———标准条件下的气体热力学温度, K;

Zn———标准条件下的压缩因子, 无量纲。

通过压力变送器测出气体压力, 温度变送器测出气体温度, 气相色谱分析仪检测出气体组分并结合AGA8计算出天然气压缩因子, 便可以得到气体的工况流量。

2、超声波流量计结构:

2.1、Daniel 3400系列超声波流量计结构:

天然气长输管线常用的Daniel超声波流量计采用四声道, 平行对射式探头分布。主要由壳体、超声波探头、信号放大板、CPU板及通信板五个部件组成[3], 如图2所示。

2.2、Instromet Q sonic4系列超声波流量计结构:

天然气长输管线常用的Instromet超声波流量计采用四声道反射式, 两组反射一次, 两组反射两次探头分布。主要由壳体、超声波探头、MPU信号处理单元三个部件组成[4], 如图3所示。

2.3、中核维思CL-1-4系列超声波流量计结构:

天然气长输管线常用的中核维思超声波流量计采用平行对射式探头分布。主要由壳体、超声波探头、信号处理单元SPU三个部件组成, 如图4所示。

图2 Daniel超声波流量计及声道平面示意图

图2 Daniel超声波流量计及声道平面示意图

 

图3 Instromet超声波流量计及声道平面示意图

图3 Instromet超声波流量计及声道平面示意图

 

图4 中核维思超声波流量计及声道平面示意图

图4 中核维思超声波流量计及声道平面示意图

 

3、超声波流量计日常诊断:

  天然气长输管线常用的超声波流量计其基本工作原理相似, 都是采用时差法, 因此, 在日常诊断时, 所查看的参数也大致相同, 除了都需要进行声速核查外 (流量计测量气体声速与AGA10计算声速偏差<0.25%) , 主要包含两个部分:一是气体流态是否满足流量计准确计量所需要的流态, 二是流量计本体的电子元件是否正常工作。基于这两点, 分别先容三种流量计的日常诊断情况。

3.1、Daniel超声波流量计日常诊断:

3.1.1、App:

  Daniel超声波流量计使用的App为Daniel MeterLink[5], 按照App使用说明书, 配置相关通信方式后, 便可以进行操作。

3.1.2、诊断内容:

3.1.2. 1、气体流态情况:

  可以查看气体的剖面系数 (Profile factor) 、对称性 (Symmetry) 、横流 (Cross-flow) 、湍流 (Turbulence) 、漩涡角 (Swirl angle) 是否满足限定范围。剖面系数满足1.17±0.05 (DN200及以上) , 1±0.05 (DN200以下) ;对称性满足1±0.05;横流满足1±0.025;湍流满足≤5%;漩涡角±5°。此类数据的异常, 流量计并不会报警, 但却对计量的准确性产生影响, 因此, 日常诊断时, 需对此类参数进行诊断。

3.1.2. 2、电子元件情况:

  可以查看探头的性能 (Performance) 、平均增益值 (Average Gain) 、信噪比 (SNR) 、0流量气体速度是否满足限定范围。性能要求25%以上, 它表征探头是否可以正常使用, 对测量精度不产生影响;平均增益要求80dB以下, 它反映的是信号放大倍数的概念, 当增益增大, 一般都会出现探头被污物包裹或者探头故障;信噪比一般小于50dB;0流量流速 (指的是在气体内物性状态参数 (压力、温度、组分等) 分别均匀时, 管道内流量为0时的速度) 小于0.05m/s, 因为电子元件在信号处理过程中会消耗时间, 当电子元件性能下降后, 产生的信号处理时间会延长, 而程序中写入的处理时间是固定值, 因此会产生虚假测量时间, 导致探头测量出速度。

3.2、Instromet超声波流量计日常诊断:

3.2.1、App:

  Instromet超声波流量计使用的App为Uniform或者Uniguard, 按照App使用说明书, 配置相关通信方式后, 便可以进行操作。

3.2.2、诊断内容:

3.2.2. 1、气体流态情况:

  由于Instromet超声波流量计采用的是非对称式探头布置, 且通过反射声道增加声程的方式, 因此, 对气体流态要求没Daniel超声波流量计要求的那么苛刻, 且剖面修正系数是与气体流速及雷诺数动态相关的。因此, 查看流态时, 只需查看漩涡角 (Swirl angle) 和类似布置探头之间的差值即可。漩涡角同样要求±5°。

3.2.2. 2、电子元件情况:

  可以查看探头的性能 (Performance) 、自动增益控制水平 (ACG-Level) 、自动增益控制限值 (ACG-Limit) 、0流量气体速度是否满足限定范围。性能要求在20%以上, 当发现性能值低于设定值时, 就需要进行必要的处理;自动增益控制水平主要受压力的影响, 压力降低, 自动增益水平增大, 其值一般要求30000以下;自动增益控制限值反映了背景超声和电噪声的量, 若此值减小, 则说明背景超声受外界干扰较大, 应查找干扰源, 其值一般在65000左右;0流量流速一般小于0.03m/s。

3.3、中核维思超声波流量计日常诊断:

3.3.1、App:

  中核维思超声波流量计使用的App为上海中核维思上位机App, 按照App使用说明书, 配置相关通信方式后, 便可以进行操作。

3.3.2、诊断内容:

3.3.2. 1、气体流态情况:

  中核维思超声波流量计采用的是对射式探头布置, 因此, 对气体流态的监控与Daniel超声波流量计相似, 但App并未提供相关功能来监控气体流态, 因此, 由于流态变化而产生的计量偏差, 无法有效得到监控。

3.3.2. 2、电子元件情况:

  可以查看通道使用率、信噪比、增益控制值;其中通道使用率>90%属于正常, <70%属于故障范围;信噪比>5属于正常范围, <2为故障范围;增益控制值50~800为正常范围, <50为故障。

4、总结:

  通过对天然气长输管线常用超声波流量计的先容, 可以方便从事天然气工作人员开展相关计量工作, 可以有效的分析判断出计量设备是否正常, 便于管道企业进行计量输差管理等。


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