普光氣田是迄今為止國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的規(guī)模最大的特大型整裝海相酸性氣田，作為普光氣田開發(fā)的大型配套工程，凈化廠年處理酸氣能力120億立方米，年產(chǎn)凈化氣90億立方米。凈化廠聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣計(jì)量采用了均速管流量計(jì)，為保證計(jì)量準(zhǔn)確性，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢測。由于均速管流量計(jì)是一種插入式流量計(jì)，拆表外送檢驗(yàn)，從技術(shù)上和實(shí)際操作上難度很大，從而難以進(jìn)行周期檢定。為解決這一問題，近年來，中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心采用1010GCN外夾式氣體超聲波流量計(jì)（以下簡稱超聲波流量計(jì)）對(duì)普光氣田凈化廠聯(lián)合裝置的均速管流量計(jì)進(jìn)行了比對(duì)測試，取得了較為滿意的結(jié)果。
一、超聲波流量計(jì)原理
超聲波流量計(jì)采用數(shù)字式多脈沖 MultiPulse ™時(shí)差技術(shù)。每聲道的兩個(gè)寬束超聲波換能器，互為發(fā)射和接收換能器。超聲波首先由發(fā)射換能器發(fā)出，穿過管壁和介質(zhì)，經(jīng)對(duì)面管壁反射后再次穿過介質(zhì)和管壁被接收換能器接收，完成發(fā)射和接收的過程。1010GCN利用高精度和超穩(wěn)定的數(shù)字相位檢測回路來測量每一方向（順流和逆流）的聲波到達(dá)時(shí)間。通過這種檢測方法，1010GCN 氣體流量計(jì)能夠分辨±100ps內(nèi)的相關(guān)聯(lián)聲波的傳輸時(shí)間差。利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流速，根據(jù)管道截面積計(jì)算出流體工況下體積流量。
由于氣體的可壓縮性，所以通常使用標(biāo)準(zhǔn)體積單位來表示體積流量。這就需要1010GCN流量計(jì)對(duì)工況體積動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。因此，流量計(jì)需要輸入工況操作溫度和壓力流量計(jì)，可以通過輸入氣體壓縮因子或是通過內(nèi)置表格使用動(dòng)態(tài)AGA8號(hào)報(bào)告補(bǔ)償來修正標(biāo)準(zhǔn)體積。
二、現(xiàn)場比對(duì)測試操作
1010GCN外夾式氣體超聲波流量計(jì)，體積小，功能齊全，操作簡便，測量精度1.0％，其多組換能器適用大多數(shù)金屬管，適用管徑范圍為50—700 mm，管壁厚度為2.0—31.8 mm，被測介質(zhì)壓力不低于0.7MPa。為了降低在線檢測比對(duì)的誤差，應(yīng)精心操作，遵循以下操作步驟，盡量減少人為因素造成的測量誤差。
（一）測量點(diǎn)的選擇與管道參數(shù)的測量
正確選擇測量點(diǎn)，準(zhǔn)確地測量管道參數(shù)，是減少附加比對(duì)測試誤差的前提條件。為此必須做到以下兩點(diǎn)：一是測量點(diǎn)應(yīng)選擇在管道上游10倍以上、下游5倍以上管徑長度的直管段上，測量點(diǎn)處應(yīng)無焊縫、無振動(dòng)及無電磁干擾源等；二是由被測單位提供測試管道設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場用卡尺或鋼卷尺和超聲波測厚儀對(duì)管道外徑及壁厚進(jìn)行復(fù)核，為減小誤差，管道外徑及壁厚應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測量后取其平均值。
（二）安裝換能器
將管道外經(jīng)、壁厚和管道材質(zhì)數(shù)據(jù)輸入流量計(jì)主機(jī)。主機(jī)根據(jù)輸入的管道參數(shù)，推薦出所安裝換能器的型號(hào)、安裝方式和安裝間距。氣體超聲波流量計(jì)與液體超聲波流量計(jì)相比，測量信號(hào)更容易受到噪音信號(hào)干擾，如果信噪比在10:1以下，就無法準(zhǔn)確測量。因此在將換能器固定在管道上前，為減小管道噪音信號(hào)對(duì)測量結(jié)果的影響，應(yīng)在管道外壁粘貼CC129A型氣體耦合劑薄膜，貼時(shí)應(yīng)盡量減少氣泡的產(chǎn)生，如產(chǎn)生氣泡應(yīng)將氣泡弄破，釋放出氣體。
（三）氣體參數(shù)的設(shè)置
由凈化廠提供氣體的組分、比熱率、粘度和被測點(diǎn)氣體的溫度、壓力等可靠數(shù)據(jù)。組份用于計(jì)算氣體壓縮因子，比熱率用于計(jì)算氣體的平均比重，粘度用于進(jìn)行流態(tài)補(bǔ)償計(jì)算。1010GCN流量計(jì)可以通過輸入固定的壓縮因子或是通過內(nèi)置表格使用動(dòng)態(tài)AGA8號(hào)報(bào)告補(bǔ)償來修正標(biāo)準(zhǔn)體積�，F(xiàn)場溫度、壓力如果變化不大時(shí)，可以輸入固定值，如果變化較大，1010GCN流量計(jì)提供了4個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，可以對(duì)溫度、壓力模擬信號(hào)定義后，實(shí)時(shí)采集溫度、壓力信號(hào)，將工況條件下的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件（P=101.325kPa，t=20℃）下的體積流量。
（四） 在線測試數(shù)據(jù)比對(duì)
所有參數(shù)設(shè)置安裝完成后就可以進(jìn)行流量測量。為便于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和中控室DCS系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線比對(duì)，將超聲波流量計(jì)主機(jī)時(shí)鐘按照中控室DCS系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，由流量計(jì)主機(jī)自動(dòng)記錄測試時(shí)間和測試結(jié)果。
我們選用的1010GCN外夾式氣體超聲波流量計(jì)經(jīng)過了國家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站的實(shí)流檢定，準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了1.0級(jí)。為進(jìn)一步驗(yàn)證其現(xiàn)場檢測精度，我們首先在普光分公司外輸天然氣計(jì)量撬管線上進(jìn)行了測試，與外輸超聲波流量計(jì)進(jìn)行了比對(duì)，數(shù)據(jù)見表1。
表1： 凈化廠外輸計(jì)量撬流量比對(duì)測試數(shù)據(jù)
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序號(hào) |
測試地點(diǎn) |
測試時(shí)長 min |
現(xiàn)場壓力MPa |
現(xiàn)場溫度 |
累積流量Nkm3 |
外輸流量計(jì)累積流量Nkm3 |
相對(duì)誤差 |
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計(jì)量撬D路 |
15 |
7.53 |
35.1 |
68.13 |
68.79 |
-0.96 |
|
|
計(jì)量撬E路 |
15 |
7.53 |
34.9 |
62.61 |
62.29 |
0.51 |
從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩次測量的相對(duì)誤差均未超出±1.0%的范圍，說明選用的1010GCN外夾式氣體超聲波流量計(jì)精度符合現(xiàn)場測試要求。利用該流量計(jì)先后對(duì)凈化廠的六套聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣共18個(gè)流量測量點(diǎn)的均速管流量計(jì)進(jìn)行了在線比對(duì)測試，數(shù)據(jù)見表2。
表2： 凈化廠聯(lián)合裝置均速管流量計(jì)比對(duì)測試數(shù)據(jù)
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序號(hào) |
測試地點(diǎn) |
測試時(shí)長 min |
現(xiàn)場壓力MPa |
現(xiàn)場溫度 |
累積流量Nkm3 |
均速管流量計(jì)累積流量 Nkm3 |
均速管流量計(jì)誤差 |
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一聯(lián)合一列原料氣 |
10 |
7.93 |
32.5 |
15.09 |
11.44 |
-24.19 |
|
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一聯(lián)合二列原料氣 |
10 |
7.94 |
34.6 |
22.38 |
21.87 |
-2.27 |
|
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二聯(lián)合一列原料氣 |
7.94 |
34.0 |
10.47 |
9.44 |
-9.84 |
||
|
二聯(lián)合二列原料氣 |
35 |
7.99 |
36.4 |
83.23 |
65.73 |
-21.03 |
|
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三聯(lián)合一列原料氣 |
10 |
7.95 |
32.4 |
20.85 |
20.91 |
0.27 |
|
|
三聯(lián)合二列原料氣 |
10 |
7.94 |
33.5 |
19.59 |
21.81 |
11.35 |
|
|
四聯(lián)合一列原料氣 |
10 |
7.91 |
37.9 |
18.59 |
21.20 |
14.03 |
|
|
四聯(lián)合二列原料氣 |
10 |
7.90 |
37.0 |
19.61 |
20.81 |
6.14 |
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五聯(lián)合一列原料氣 |
10 |
8.02 |
34.0 |
14.25 |
13.94 |
-2.19 |
|
|
10 |
五聯(lián)合二列原料氣 |
10 |
7.96 |
38.5 |
12.75 |
14.59 |
14.45 |
|
11 |
六聯(lián)合一列原料氣 |
29 |
8.01 |
35.8 |
124.14 |
60.56 |
-51.22 |
|
12 |
六聯(lián)合二列原料氣 |
31 |
7.98 |
37.6 |
81.29 |
64.02 |
-21.24 |
|
13 |
一聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
10 |
7.55 |
40.5 |
25.28 |
23.77 |
-5.97 |
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14 |
二聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
10 |
7.57 |
38.5 |
15.44 |
13.49 |
-12.61 |
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15 |
三聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
10 |
7.59 |
37.0 |
29.39 |
31.63 |
7.64 |
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16 |
四聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
20 |
7.57 |
39.60 |
61.15 |
57.32 |
-6.26 |
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17 |
五聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
22 |
7.58 |
43.3 |
65.58 |
53.49 |
-18.44 |
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18 |
六聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
18 |
7.49 |
45.5 |
54.63 |
49.37 |
-9.63 |
對(duì)表2測試結(jié)果進(jìn)行分析，18臺(tái)均速管流量計(jì)中誤差最大的是六聯(lián)合一列的原料氣，相對(duì)誤差為-51.22%；誤差最小的是三聯(lián)合一列原料氣，相對(duì)誤差為0.27%，有15臺(tái)均速管流量計(jì)誤差超過了±3.0%，說明該種流量計(jì)在長時(shí)間運(yùn)行后其計(jì)量精度降低，不適用普光氣田凈化廠天然氣流量計(jì)量。
三、結(jié)論
利用1010GCN外夾式氣體超聲波流量計(jì)對(duì)普光氣田凈化廠聯(lián)合裝置流量計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行在線比對(duì)測試，可以給出每臺(tái)均速管流量計(jì)的修正系數(shù)，滿足了生產(chǎn)計(jì)量的需要。為進(jìn)一步提高1010GCN的在線測量精度，在使用中需要注意以下幾點(diǎn)：
①不同型號(hào)的1010GCN換能器所適用的管道外徑、壁厚和被測介質(zhì)最低壓力等數(shù)據(jù)是不同的，要確保提供的參數(shù)在其適用范圍內(nèi)；另外，管道外徑與壁厚比為15：1或更大時(shí)性能最佳，小到5：1時(shí)測量效果會(huì)變差。
②測試中現(xiàn)場提供的溫度、壓力數(shù)據(jù)在測量過程中是否穩(wěn)定，影響到最終的測量精度。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可以估算出，溫度相差1℃，流量測量結(jié)果會(huì)相差0.3%左右，壓力相差0.1 MPa，流量測量結(jié)果會(huì)相差1.3%左右。
③信噪比大小對(duì)測量結(jié)果有較大影響，如果信噪比在10:1以下，就無法得到準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)。本次測量現(xiàn)場主要有兩種測試環(huán)境：一是碳鋼管線中脫水后的凈化天然氣，二是不銹鋼管線中含H2S和CO2濃度較高的酸性原料氣。在這兩種現(xiàn)場測量環(huán)境中，碳鋼管線凈化天然氣信噪比可以達(dá)到35:1以上，現(xiàn)場最好測量；另外一種測試環(huán)境現(xiàn)場信噪比較低。為抑制管道中噪音信號(hào)，提高信噪比，需要在測量管道外壁粘貼CC129A型氣體耦合劑薄膜。
④ 換能器的安裝條件及安裝精度影響最終的測量結(jié)果。安裝換能器時(shí)，管道外表面應(yīng)去除保溫層、去漆，銹跡應(yīng)砂平，涂勻耦合劑，不能有空隙，否則聲波會(huì)在固、氣界面上發(fā)生折射，無法傳到被測流體。為確保流體所需的流速分布，換能器前后要有足夠長的直管段。一般情況下要求前直管段10D以上，后直管段5D以上，而且上游30D內(nèi)不能安裝有泵、閥等擾動(dòng)設(shè)備。換能器安裝時(shí)應(yīng)避開管道的焊縫及連接處，安裝在傾斜和水平管道上時(shí)，不要安裝在上部或底部，應(yīng)安裝在管道截面九點(diǎn)至十點(diǎn)方位，正確貼住管壁使超聲波傳播途徑通過管道中心。
