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超声波流量计在天然气流量计量中的应用及存在问题分析

超声波流量计在天然气流量计量中的应用及存在问题分析文章对超声流量计的工作原理、计量特点作了简单介绍,对超声流量计在采气二厂外贸计量中的应用和效果作了简要的分析评价,并对超声流量计使用过程中存在的问题作了简要分析,提出了自己的认识和建议,对今后更好地使用超声流量计提供了帮助。
近年来,随着长庆油田天然气勘探、开发的不断深入,天然气事业进入了大规模发展阶段,天然气流量计量成为天然气开发与管理中的一项重要工作,在天然气的生产、输送,特别是分配、交易过程中,考虑到供需双方的经济利益,要求流量计具有精度高、能耗低、维修量少的优良特性,尤其是对于大口径流量的测量,这种特性显的更为重要,超声波流量计是一种非接触式测量流量的仪表,它利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量,较其它流量计具有计量精度高、不节流、无压力损失等优点,特别适合天然气的在线高精度贸易计量。
2 超声波流量计在我厂使用概况
长庆油田第二采气厂担负着向首都北京供气的主要任务,贸易计量系统的准确可靠与否,直接关系着交易双方的切身经济利益,超声波流量计以其优越的计量性能在此贸易计量中发挥着重要作用。
采气二厂处于整个长庆油田产气外输的窗口位置,负责对本厂所产天然气和转输的苏里格气田所产天然气进行计量,所管辖外贸超声波流量计有24台,其中陕京一线3路和陕京二线5路超声波流量计,用于计量本厂所产天然气,与北京增压站进行贸易交接,外输气量达1000万方/天,同时苏里格第二天然气处理厂和苏里格第四天然气处理厂来气分别通过9路和7路超声计量装置输往北京增压站,外输气量达2900万方/天,总计超声波计量外贸气量达3900万方/天。
3 工作原理
气体超声波流量计是采用绝对数字时间差法,根据声波在气体中顺流和逆流传播的时间差与气体流速成正比这一原理来测量气体流量的。
传感器A所发出的超声波脉冲穿过管道,被传感器B接受,当管道中有气体流过时,在气流中传播的超声波脉冲的传播速度将受到气流的影响,使得超声脉冲顺流传播的速度要比逆流时快,在同一传播距离内,其逆流、顺流方向的传播时间分别为:
式中:
T1——声波脉冲从下游换能器传至上游换能器所需要的时间;
T2——声波脉冲从上游换能器传至下游换能器所需要的时间;
L——上下游换能器之间的距离;
C——超声波声速;
由上述两式推导出四通道流量计流体流速计算公式如下:
式中:V—每个声道的气体流速;
Wn—权重因子(取决于探头的几何分布情况);
D—超声波内径;
Q—流体在管道中的工况流量。
由以上计算过程可知,超声流量计的测量精度主要取决于声道长度L和时间测量准确度以及流速的积分技术。
4 气体超声波流量计的计量特点
(1)测量独立于声速、温度及气体状况
(2)有优良的干扰抑制特性及故障自诊断功能
(3)具有独特的双向流测量功能
采气二厂所用的丹尼尔高级超声波气体流量计主要由四部分组成:前后直管段、流量计表体(USM)、流量计算机(S600)、配套的压力和温度变送器。图三为系统组成示意图。按照换能器多少,超声流量计可分为一至六声道超声流量计;根据超声波在管壁上的反射情况,又可分为直射、单反射和双反射三种。采气二厂超声流量计均为Daniel公司生产的3400型四声道直射式超声流量计。
5 气体超声波流量计的具体应用效果
5.1 贸易输差分析
超声流量计检定后于2005.9.15日正式安装运行,用于陕京一、二线贸易计量。图四为2010年12月陕京线上下游贸易双方计量输差,由图4可见,贸易交接双方准确度可控制在0.4%以内。自2010.01.01至2010.12.31累计向陕京供气232958.4327×104m3,陕京接气累计232641.0428×104m3,平均计量输差为0.14%。
5.2 经济效益分析
下面根据采气二厂的实际情况,将孔板与超声流量计进行比对,分析超声流量计所带来的经济效益。
5.2.1 量程比宽
孔板流量计由于量程比窄,通常只有1:3,最高仅1:10,对于相同的流量计量要求,其计量管路多,虽然直接的计量仪表投资少,但是上、下游直管段长,现场工艺管路复杂,相关的阀门、温度变送器、压力变送器、直管段、汇管等一次性投资多。
超声波流量计单表价格高于孔板流量计,但是上、下游直管段短,工艺管路简单,量程比宽,可达1:200,整个计量回路少,实际现场一次性投资少。
5.2.2 压损小
下面以采气二厂1个下游典型用户用气参数进行能耗计算:用气量200×104m3/d,用气压力0.6MPa。
节流装置压力损失计算式:(最大刻度差压∆P=60kPa)
δp=(1−β1.9)∆P
β-节流件内径与管道内径之比d/D,取β=0.5;
∆P-流量差压。
δp=(1−β1.9)∆P
=(1-0.51.9)×60
=43.9234kPa
节流装置能耗计算式:(压缩机效率η=0.8)
计算耗能费:能源价0.4元/kWh
耗能费(年)=(W/1000)×(运行时数/年)×(元/kWh)
=(1270932/1000)×365×24×0.4
=4453346(元/年)
该计算只是能耗损失,不包括压缩机运行等费用。
与孔板流量计相比,超声波流量计由于没有阻流件,不产生压力损失,因此消除了由于压损所带来的能耗费用。
5.2.3 精度高
孔板流量计的计量精度理论上可达到1%,但是通过大量的实践证明,由于孔板流量计抗干扰能力较差,现场精度最高能达到2%,一般情况下在3%左右。
超声波流量计的精度则可以达到0.5%甚至更高。
采气二厂外输气量为3900万方/天,工业用气每方的价格为0.6元,产生的偏差见下表2所示:
表2 气量及费用偏差
由此可见选择两种不同的流量计量仪表,每天在外输气量的计量上产生的偏差相当于一口高产井的产气量,在费用上产生的偏差更会造成很大的经济损失。
5.2.4 长期运行费用低
由于流量计长期运行时,有以下几方面的费用:设备维护费,标定费用,更换部件费用以及操作人员人工费用等,超声波流量计在这几个方面产生的费用要远远低于孔板流量计。
6 存在问题分析
6.1 影响计量系统性能的现场因素
6.1.1 噪声
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;⑨整流器;④压力或流量调节阀等。
实验研究结果表明,噪声(如整流器产生的噪声)对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%。
6.1.2 脏污堆积
含水、凝析油、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,会影响超声波流量计的准确度。
6.1.3 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,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。
6.2 减小现场因素影响的措施
6.2.1 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。
6.2.2 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。
(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。
6.2.3 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。
(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。
气体超声流量计测量范围宽、便于安装、没有如节流装置几何尺寸变化影响仪表特性的问题,因此,获得了长足的发展。但是,对于一种新型的流量计在现场的使用过程中,环境因素对其性能的影响,需要我们技术人员认真学习超声流量计相关知识,掌握流量计的计量特性,并做好日常的维护保养工作,探索出一套适合超声流量计的最佳工作制度,用好流量计,减少计量误差,确保外贸计量准确可靠,服务于我们的天然气计量。
点击次数:  更新时间:2017-03-16 00:52:26  【打印此页】  【关闭