摘要：气体超声流童计与孔板流量计在天然气工业中应用的两个主要方面流体流动特性对仪表性能的影响和流童计的干校问题进行比较,分析它们存在的问题及发展前景。还对其它仪表性能进行了比较。
90年代以来,气体超声流量计在天然气工业中的成功应用有突破性的进展,一些天然气流量计量的疑难问题可望获得解决。据称由于正确率高和维修费用低,多声道气体超声流量计已被气体工业界接受。多声道气体超声流量计是气体涡轮流量计后被气体工业界接受的最重要的流量计量器具。目前美国气体协会(AGA)已经完成AGAeReortNo.9“用超声流量计测量气体流量”草案闭。制定有关国家标准与国际标准的准备工作正在进行。至今,已有12个国家的政府机构批准气体超声流量计为法定计量器具国外天然气工业在贸易输送,气体分配、调合、控制和检漏等方面都广泛采用它。对天然气工业中传统的计量仪表孔板流量计与新型的气体超声流量计在仪表性能的两个主要方面:流体流动特性对仪表性能的影响和流量计的干校问题进行比较,分析它们存在的问题及发展前景。
流体流动特性对仪表性能的影响
孔板流量计和气体超声流量计都是对流体流动特性变化敏感的仪表,如何消除不正常流动特性对仪表性能的影响一直是这二类仪表的主题之一。现在可以看到两者解决此问题的方法有很大差别,在技术和经济两方面亦有不同有效果,分析它们的特点,对今后流量计的发展是有现实意义的。
l孔板流量计
本世纪20年代起人们就对流体流动特性对仪表性能的影响进行过大量的试验研究,为了准备孔板流量计AGA(美国气体协会)报告,从1924年到1935年美国进行过10年试验研究,研究项日多达14项,其中大部分是关于流体流动特性的影响试验。几乎同时欧洲亦进行同样内容的孔板流量计试验研究,这些都为制定节流式差压流量计国际标准奠定了基础。现在ISO5167中关于节流装置上下游必要的最短直管段长度的规定就是这些试验研究的总结,在各类流量计中它的数据是最具权威性的。但是亦应看到,这些规定不但在内容上存在很大的争议,而且在实际上也远不能满足现场的需要。ISO5167第一版(1980年)投票表决通过时,孔板流量计资料主要提供国美国却投了反对票,其原因之一就是不同意标准中关于直管段长度的规定。由此引发80年代欧洲和美国对孔板流量计进行10余年的大规模研究试验,至今它已取得巨大的成果,准备对ISO5167一1(1991年)[,〕进行修订,修订的主要内容之一就是关于直管段长度的规定。
孔板流量计为解决此问题进行研究试验有以下特点:
(l)确定几种典型的阻流件类型(ISO5167中为7种),进行各种口径,b值,雷诺数范围的试验,确定在参比工作条件下(充分发展管流)所需的最短直管段长度。
(2)为缩短必要的直管段长度,在上游侧安装流动调整器(整流器),开发出几种类型的流动调整器(ISO5167中为5种)。
(3)流动特性中关于非定常流(如脉动流)提出技术报告(ISO5167/TR3313)〔’〕,对脉动流的抑制及误差估计提供一些数据供使用参考。
尽管已经取得上述成果,但是要应付现场的需要仍感很不满足:
(l)现场的阻流件类型远多于标准中提供的,并且阻流件之间的组合形式层出不穷,因此现场总感觉有些问题有待解决,例如天然气输配气计量站出现较普遍的旋风分离器和汇管在标准中就没有规定。
(2)试验研究需花费巨大的人力物力,一种类型阻流件需进行各种口径的试验,每种口径有一系列的月值,还有雷诺数(流量)范围变化的试验,可以想象,这种排列组合方式的试验工作量有多么巨大,实在是不胜负担的一项工作。
(3)采用流动调整器以缩短直管段长度不是一种好办法,它会带来附加压损,流体中杂质易在其中堵塞,增加现场使用维护的工作量。
(4)非定常流的特例脉动流测量虽然有一个ISO技术报告(ISO/TR3313)可参考,但实际上孔板流量计是不适合用于脉动流测量的,其原因是信号(差压)与流量为非线性关系(平方关系),引压管线使信号迟滞及畸变,节流件对脉动波产生障碍形成波的反射等等。
2气体超声流量计
新型的气体超声流量计采取多声道配置的方案来对付速度分布畸变及旋转流等不正常流动特性的影响。例如多声道气体超声流量计,其工作原理如图l所示。流量计的检测件是一个带有5个超声通道(声道)的圆形短管,这5个声道是这样组成的:采用2个具有二次反射的声道和3个单反射声道,它们组成为一个超声通道网络,对整个管道横截面积都能进行分析,在分析速度分布畸变与旋转流对测量值影响的基础上制定仪表信号处理方案。这种解决不正常流动特性的方法有以下特点:
(l)气体超声流量计检测件是一段无阻碍物的圆管,与孔板流量计中有节流件阻碍相比对流动特性的影响较易分析。由于检测件形状的特殊性,而超声流量计的检测件是一段圆管,在流体力学专业资料中可以找到许多参考资料,因此二者处理此问题所依靠的背景资料有很大差别。
(2)气体超声流量计处理此问题是采取分析对象,制定检测策略的方法,孔板流量计则进行一个个阻流件试验,无论技术上或经济上其效率与效果都很不相同,气体超声流量计的优点是显然的。
(3)目前发展多声道检测件只能在较大口径(DN150以上)应用,今后中小口径如何解决相信气体超声流量计是会找到解决办法的。
流量计的干校一一仪表系数的偏离问题对于大口径(DN200以上)流量测量来说,流量计能否实行干校(无需实流校验)是推广应用的一个关键因素,某些情况下甚至是用户采用与否的决定性因素。孔板流量计借助国际上长期的试验研究及实践经验的总结,早在30年代就开始实行仪表的干校,这是它获得广泛应用的重要原因。气体超声流量计若要在天然气工业输配气计量站得到广泛应用,干校可能是一个必要条件,一般来说输配气计量站管线都是中大口径的。
干校是仪表投用前确定流量计仪表系数(或流出系数)的一种方法,但是更重要的是干校确定的仪表系数在现场是否适用以及能否保持长期稳定。
l孔板流量计
孔板流量计干校后在现场使用时其流出系数可能偏离标准值的影响因素如表l所示。
由表可见:
(l)结构的偏离有些是制造时产生的,有些则是在长期使用中由于流体介质腐蚀、磨损、沽污等造成的,后者是更难解决的问题。
(2)管线布置的偏离是普遍性的,现场不能满足直管段长度要求配置流动调整器不是一个好办法,前面已谈过,除此以外,只有增大测量误差了。
(3)使用的偏离,现场情况千变万化,很难维持实验室的参比工作条件,这是现实情况。对于天然气工业在原料气测量领域(气井到处理厂之间的天然气),这一问题更为突出,孔板流量计在此领域基本上是不适用的。
我国制定的天然气行业标准SY/T6143一1996《天然气流量的标准孔板计量方法)中特别增加一个附录(节流装置在使用中出现部分偏离标准规定的处理》说明天然气从地层中开采出来,虽经分离,除尘和过滤,因其所含成份十分复杂,从单井计量,集气计量到配气计量,气质组分各不相同,所以节流装置在作用中其冲刷、腐蚀亦各不相同,特别对孔板直角人口边缘和测量管内壁的冲刷腐蚀尤为严重,因此在实际应用中采取在流出系数中增加二个修正系数,即孔板人口尖锐度修正系数和管壁粗糙度修正系数。这种解决办法实在是不得已而为之,其效果并不理想。
孔板流量计易于偏离标准的原因应该从仪表本身的工作原理与结构特点去寻找。由于仪表特性取决于节流装置的几何形状及尺寸,现场的长期应用难免不产生磨损、腐蚀和积垢等使几何形状及尺寸改变的情况,引压管线是孔板流量计易发生故障的部件,据统计由于引压管线堵塞、泄漏、冻结等使信号不正常约占仪表故障率的70%,其他如不正常流动特性引起的测量误差只能采取一些消极的办法解决。
气体超声流量计
气体超声流量计目前尚未普遍实行干校,但从仪表工作原理及结构上看实行干校是可能的困,只是目前成熟程度(干样的必要条件)尚不能与孔板流量计相比,只要加强理论探讨积累实践经验,实行干校只是时间上的问题。
以下我们来探讨一下干校后会不会出现与孔板流量计一样的问题,这是更为重要的方面。
气体超声流量计的流量方程。
式中
qv—体积流量;
L—超声波在流体中的传播路径长度(声道长度);
A—管道横截面面积;
Ψ—超声波传播方向与流体流向之间的夹角(声道角);
tab—超声波从换能器a到换能器b的传播时间;
t、—超声波从换能器b到换能器a的传播时间;
K—仪表系数。
由式(l)可见,体积流量的测量准确度决定于3部分:时间差,结构参数L,A, Ψ等的测量误差和仪表系数K的准确度。
(l)与孔板流量计相比较,气体超声流量计没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性的问题,声道长度,声道角及管道横截面面积是比较恒定的参数,亦没有引压管线之类易引起故障的部件,根据现场条件确定仪表系数及维持长期稳定是比较可能的。
(2)解决速度分布畸变与旋转流的方法与孔板流量计不同,没有阻流件对号人坐的问题,亦不采用会引起副作用的流动调整器,它是从声道设置方案人手,更着重于软测量方法解决问题,便于应付现场复杂多变的条件。
(3)对非定常流测量,气体超声流量计是完全适合的,其原因由仪表工作原理与结构所决定:①信号与流量(流速)为线性关系;②检测件内无阻碍物;③非接触测量;④测量采用高速数字信号处理技术。这些特点使它可以快速响应流体流动的动态变化。
其他仪表性能的比较
1范围度
孔板流量计范围度窄(约为3:1一4:1),近年来虽从多方面采取措施拓宽其范围度,如采用宽量程差压变送器,多台差压变送器并联使用,采用可换孔板节流装置以及智能流量显示仪等等,但与气体超声流量计相比未免逊色。气体超声流量计范围度可达40:1(DN150)一160:l(DN75O),在实际使用中流量计可测流量(流速)下限值是一个更重要的指标,我国大口径气体管道系统普遍运行低流速范围(流速上限值仅5m/s,或更低),使得流量计选型困难。气体超声流量计下限流速偏差如表2所示。
如管径为DN125时,测量误差为1%,则下限流速可达:Umin=100×5=500mm/s =0.5 m/s;管径为DN1600时,测量误差为l%,则下限流速可达:Umin =l00×0.4=40mm/s=0.04m/s.
据资料介绍,在天然气输配气计量站中,一座用孔板流量计做为计量仪表的计量站,为满足范围度的要求,需设置4条DN400mm管线,如采用气体超声流量计则只需设置2条DN600mm管线或一条ND700mm管线,这样采用气体超声流量计可节省一次性投资10一40%,节省占地空间50一75%,并且精度更高,工作更稳定,维护量更少。
2压力损失
孔板流量计以压损大著称,而气体超声流量计恰是无压损(仅相当于一段管道)仪表,对于大口径,这个特点很重要,它可以节约能耗或适用于低静压气体管道系统的测量。
3仪表造价
对于孔板流量计随着口径增大,检测件造价及安装成本大幅度提高,而气体超声流量计的检测件制造成本与口径大小的关系仅相当于管道价值的增加,因此它是一种特别适用于大口径的仪表。
4使用维护
孔板流量计由3部分组成:节流装置、差压变送器和流量显示仪。在现场恶劣工作条件作用下节流装置与差压变送器及其连接部分引压管线是使用维护的重点,天然气输配气计量站为经常检查孔板的质量,常增设旁路管或采用价格昂贵的可换孔板节流装置,这些都使仪表及其辅助设备造价增加,也增加了维护工作量。气体超声流量计检测件比较牢固,维护工作量少,甚至可做成插人式探头,在不断流情况下取出维修。
气体超声流量计与孔板流量计在天然气工业中的应用进行一些比较,由上述可见,在大口径测量方面,气体超声流量计无疑更为优越。孔板流量计毕竟已经发展数十年至上百年历史,全世界流量工作者都对它进行过巨大的理论与实践工作,取得极为丰富的经验,相比之下,气体超声流量计仅刚崭露头角,尚需通过实践走向成熟,至于中小口径方面,需作更多的工作。
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