③天然氣流量計(jì)算實(shí)例(孔板開孔直徑設(shè)計(jì)計(jì)算)詳見3.8節(jié)。
(3)氣體渦輪流量計(jì)方法氣體渦輪流量計(jì)是僅次于孔板流量計(jì)的被廣泛用于天然氣流量測(cè)量的儀表。
氣體渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便；外形尺寸相對(duì)較小；精確度高;重復(fù)性好；圍度寬，可達(dá)到15:1~25:1，在高壓輸氣的情況下，范圍度還可增大；其輸出為脈沖頻率信號(hào)，因此在同可編程流量顯示表配用時(shí)，容易得到較低的系統(tǒng)不確定度。近幾年來，國(guó)內(nèi)已有不少儀表廠生產(chǎn)這種儀表，并在油氣田推廣應(yīng)用。
其不足之處是渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承與軸之間機(jī)械摩擦，壽命不很長(zhǎng)，因此應(yīng)注意潤(rùn)滑，可利用制造廠所提供的潤(rùn)滑手段，定期補(bǔ)給潤(rùn)滑油。
另外，高速流動(dòng)的氣體中如果含有較大的固體顆粒，很容易將渦輪葉片打壞，因此，渦輪流量計(jì)前的管道上應(yīng)加裝過濾器。
儀表投運(yùn)步驟:如果計(jì)量回路裝有旁通閥，應(yīng)先開足旁通閥，然后開足上游切斷閥，再緩慢開啟下游切斷閥，最后緩慢關(guān)閉旁通閥；如果計(jì)量回路沒有安裝旁通閥，則應(yīng)先開足上游切斷閥，然后緩慢開啟下游切斷閥，防止渦輪受高速氣流沖擊而損壞。
(4)氣體超聲流量計(jì)方法
用聲學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)量流體流量已有約40年的歷史，特別是20 世紀(jì) 90年代以來，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和先進(jìn)的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量的技術(shù)取得了突破性發(fā)展。由于具有高技術(shù)的氣體超聲流量計(jì)具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量準(zhǔn)確度高、無壓損及可動(dòng)部件、安裝使用費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，它已被歐美等國(guó)用戶用于天然氣貿(mào)易計(jì)量。至今已有美國(guó)、荷蘭、英國(guó)、德國(guó)等12個(gè)國(guó)家的政府批準(zhǔn)氣體超聲流量計(jì)作為法定計(jì)量器具。美國(guó)煤氣協(xié)會(huì)已于1998年6月發(fā)布了AGA Re-port No.9《用多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。我國(guó)主要參考了該報(bào)告，并參考了ISO/TR 12765《用時(shí)間傳播法超聲流量計(jì)測(cè)量封閉管道內(nèi)的流體流量》，制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。
①基本原理。用來測(cè)量天然氣流量的超聲流量計(jì)一般是自帶測(cè)量管段的由超聲換能器等構(gòu)成的時(shí)差法流量計(jì)量器具，換能器一般沿管壁安裝，且直接同流體接觸，由一個(gè)換能器發(fā)射的超聲波脈沖被另一個(gè)換能器所接收，反之亦然。圖3.24所示為 Tx1和 Tx2兩個(gè)換能器的簡(jiǎn)化幾何關(guān)系，聲道與管道線間的夾角為φ，管徑為 D。在某些儀表中采用了反射聲道，此時(shí)聲波脈沖在管壁上經(jīng)一次或多次反射。
超聲脈沖穿過管道如同渡船河流。如果沒有流動(dòng)，聲波將以相同速度向兩個(gè)方向傳播，當(dāng)管道中的氣體流速不為零時(shí)，沿氣流方向順流傳播的脈沖將加快速度，而逆流傳播的脈沖速度緩慢。因此，相對(duì)于沒有氣流的情況，順流傳播的時(shí)間tD將縮短，逆流傳播的時(shí)間tu會(huì)增長(zhǎng)，根據(jù)這兩個(gè)傳播時(shí)間，就可以計(jì)算測(cè)得流速。這就是時(shí)差法超聲流量的基本原理。
對(duì)于充分發(fā)展的紊流，如果聲道不在通過管道軸線的平面內(nèi)(即傾斜的弦線)，則kc系數(shù)及它與雷諾數(shù)的關(guān)系都將不同。在多聲道流量計(jì)中，這種情況是常見的，因?yàn)閾Q能器有多種布置形式，聲道可以相互平行，也可能是其他取向。流量計(jì)可以沿兩個(gè)或多個(gè)傾斜弦線直接傳播聲波或經(jīng)反射傳播聲波。用于將各個(gè)聲道的測(cè)量值合成為平均流速的方法也隨流量計(jì)的特定結(jié)構(gòu)而變化。
②流量測(cè)量準(zhǔn)確度
a.氣體超聲流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度受下列諸因素的影響：流量計(jì)殼體幾何尺寸和超聲傳感器位置的參數(shù)的準(zhǔn)確性；流量計(jì)所采用的積分技術(shù)；速度分布剖面的質(zhì)量、氣流的脈動(dòng)程度和氣體的均勻性；傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度。傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度又取決于電子時(shí)鐘的穩(wěn)定性、對(duì)聲脈沖波參考位置檢測(cè)的一致性及對(duì)電子元件和傳感器信號(hào)滯后的適當(dāng)補(bǔ)償。
對(duì)于每一尺寸結(jié)構(gòu)的氣體超聲流量計(jì)，制造廠家應(yīng)規(guī)定流量界限值，即最小流量qmin、轉(zhuǎn)換點(diǎn)流量qt和最大流量qmax，而且在不同的流量區(qū)間進(jìn)行任何校準(zhǔn)系數(shù)調(diào)整之前，測(cè)量性能應(yīng)滿足下列要求。
氣體超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確度不僅同流速有關(guān)，而且同儀表口徑有關(guān)。對(duì)于小口徑儀表，由于聲道長(zhǎng)度較短，在紊流氣體中測(cè)量聲波傳播時(shí)間比較困難，因此小口徑氣體超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確度較難提高。
b.大口徑流量計(jì)的準(zhǔn)確度。在進(jìn)行任何校準(zhǔn)系數(shù)調(diào)整之前，口徑等于或大于300mm的多聲道氣體超聲流量計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足下列測(cè)量準(zhǔn)確度要求(見圖 3.25)。
d.雙向測(cè)量的準(zhǔn)確度。氣體超聲流量計(jì)具有雙向測(cè)量能力，而且雙向測(cè)量的準(zhǔn)確度相同。
③儀表的使用
a.適用范圍。氣體超聲流量計(jì)適用于DN≥100mm、p≥0.3MPa(表壓)的生產(chǎn)裝置、輸氣管線、儲(chǔ)藏設(shè)施、配氣系統(tǒng)和大用戶終端計(jì)量站中的天然氣計(jì)量。
b.天然氣氣質(zhì)要求。流量計(jì)所測(cè)量的天然氣組分一般應(yīng)在GB/T 17747和GB 17820所規(guī)定的范圍內(nèi)；天然氣的真實(shí)相對(duì)密度為0.55~0.8。
在可衰減聲波的 CO2含量超過10%，或在接近天然氣混合物臨界密度的條件下工作，或總含硫量超過460mg/m3(包括硫醇、H2S和元素硫)的情況下，用戶應(yīng)向制造廠提出相應(yīng)的專門要求。
c.測(cè)量管內(nèi)附著物的處理。正常輸氣工況下在流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)的附著物(如凝析液或帶有加工雜質(zhì)的油品殘留物、灰和砂等)會(huì)減少流量計(jì)的流通面積，影響計(jì)量準(zhǔn)確度。同時(shí)附著物還會(huì)阻礙或衰減超聲傳感器發(fā)射和接收超聲信號(hào)，或者影響超聲信號(hào)在流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)壁的反射，因此流量計(jì)測(cè)量管應(yīng)定期檢查、清洗。
④儀表的安裝
a.避開振動(dòng)環(huán)境。氣體超聲流量計(jì)的安裝應(yīng)盡可能避開振動(dòng)環(huán)境，特別要避開可能引起信號(hào)處理單元、超聲換能器等部件發(fā)生共振的環(huán)境。
b.避免聲學(xué)噪聲干擾。來自被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的噪聲可能會(huì)對(duì)氣體超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量帶來不利影響，在設(shè)計(jì)、安裝過程中應(yīng)讓氣體超聲流量計(jì)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源或采取措施消除噪聲干擾。
c.氣體過濾。在介質(zhì)較臟的場(chǎng)合，可在流量計(jì)的上游安裝效果良好的氣體過濾器。過濾器的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)能夠保證在最大流量下產(chǎn)生盡可能小的壓力損失和流態(tài)改變。在使用過程中，應(yīng)監(jiān)測(cè)過濾器的差壓，定期進(jìn)行污物排放和清洗，確保過濾器在良好的狀態(tài)下工作。
d.雙向應(yīng)用的配管。如果所使用的氣體超聲流量計(jì)具有雙向流測(cè)量功能，并且也準(zhǔn)備將其應(yīng)用于這種測(cè)量場(chǎng)合，那么在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，流量計(jì)的兩端都應(yīng)視為上游，即下游的管道配置形式及相關(guān)技術(shù)要求應(yīng)與上游一致，并符合直管段等要求。
⑤組態(tài)和維護(hù)軟件。流量計(jì)應(yīng)具有對(duì)信號(hào)處理單元(轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行就地和遙控組態(tài)及監(jiān)控流量計(jì)運(yùn)行的能力，該軟件至少應(yīng)當(dāng)顯示和記錄下列數(shù)據(jù):瞬時(shí)流量、軸向平均流速、平均聲速、沿每一聲道的聲速和每一超聲換能器所接收的聲波信號(hào)的質(zhì)量。
⑥報(bào)警功能。流量計(jì)應(yīng)能以失效安全型、干繼電器接點(diǎn)或與地隔離的無源固態(tài)開關(guān)的形式提供下述報(bào)警狀態(tài)輸出，以便及時(shí)采取應(yīng)急措施。
a.輸出失效:當(dāng)在管輸條件下指示的流量無效時(shí)。
b.故障狀態(tài):當(dāng)若干個(gè)監(jiān)視參數(shù)中的任一個(gè)在相當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)間內(nèi)超出了正常工作范圍。
c.部分失效:當(dāng)多路聲道的一個(gè)或多個(gè)無法使用時(shí)。
⑦零流量檢驗(yàn)測(cè)試。每臺(tái)流量計(jì)都應(yīng)進(jìn)行零流量檢驗(yàn)測(cè)試，并遵循以下步驟。
a.在流量計(jì)兩端裝上盲板后，用抽吸或置換的方法將流量測(cè)量管內(nèi)的所有空氣排出，壓進(jìn)聲速已知的純氣體(通常為氮)或混合氣體，在這個(gè)測(cè)量腔內(nèi)保持零流量。
b.從測(cè)試開始，氣體的壓力和溫度應(yīng)保持穩(wěn)定。在零流量時(shí)，信號(hào)的順流傳播時(shí)間tD和逆流傳播時(shí)間tU應(yīng)是相等的，即
tD=tU=L/c
⑧實(shí)流校準(zhǔn)
a.校準(zhǔn)應(yīng)測(cè)試下列流量點(diǎn):qmin、0.10qmax、0.25qmax、0.40qmax、0.70qmax和 qmax。
b.實(shí)流校準(zhǔn)應(yīng)在用戶平均操作條件的氣體溫度、壓力和密度下進(jìn)行。
c.在實(shí)流校準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，每個(gè)流量點(diǎn)至少測(cè)試3次，每次數(shù)據(jù)采集時(shí)間不得小于100s，一般為200s，并取3次平均值，在流量下限部分，測(cè)試可增加到5~10次。
d.校準(zhǔn)完畢，可根據(jù)各流量實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的誤差計(jì)算校正值，并采用合適的誤差修正方法予以修正。
⑨現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試要求。氣體超聲流量計(jì)一般都有豐富的自診斷功能，在儀表工作異常時(shí)，調(diào)閱診斷信息，可獲得重要線索。除此以外，還可通過下面的測(cè)試和分析，對(duì)儀表工作情況作出判斷。
a.零流量測(cè)試。在無流動(dòng)介質(zhì)的情況下，檢查流量計(jì)的讀數(shù)是否為零或在流量計(jì)本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
b.聲速測(cè)試及分析。首先測(cè)出某一工況條件下的實(shí)際聲速，再計(jì)算出相同條件下的理論聲速，兩者之間的差值應(yīng)在儀表本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
c.聲道長(zhǎng)度測(cè)試及分析。首先測(cè)量出實(shí)際聲道長(zhǎng)度，然后在零流量條件下，由理論聲速和測(cè)量出的傳播時(shí)間計(jì)算出聲道長(zhǎng)度，兩者之間的差值應(yīng)在儀表本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
d.聲道間讀數(shù)差異檢查。對(duì)于多聲道超聲流量計(jì)，應(yīng)檢查不同聲道在零流量條件下的讀數(shù)，其讀數(shù)差異應(yīng)在儀表本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
(5)城市天然氣流量計(jì)的選型。城市是天然氣使用的最終用戶，城市普遍使用天然氣是現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。面對(duì)系統(tǒng)繁雜、需求多樣的用戶群體，要處理許多同輸氣計(jì)量站不同的問題，其顯著的特點(diǎn)是：流體壓力較低(1.6MPa以下)；口徑較小(DN300以下)；安裝條件差(直管長(zhǎng)度不足)；管道維護(hù)力量薄弱；要求計(jì)量?jī)x表功能簡(jiǎn)明易懂、操作方便、免維修、價(jià)格適中等。在作計(jì)量?jī)x表選型時(shí)，不僅要考慮用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力，還要兼顧用戶單位儀表選型的傳統(tǒng)習(xí)慣。在眾多的流量計(jì)類型中，除了上面三種，常見的還有下面幾種。
①旋轉(zhuǎn)式容積流量計(jì)。用作天然氣計(jì)量的旋轉(zhuǎn)式容積流量計(jì)主要是氣體腰輪流量計(jì)，不僅可用來計(jì)量干氣，也可用來計(jì)量濕氣(即伴生氣)。由于孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)不適應(yīng)測(cè)量含有液滴的伴生氣，氣體腰輪流量計(jì)因沒有嚴(yán)格要求，所以相對(duì)具有一定的優(yōu)越性。容積式流量計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流動(dòng)脈動(dòng)不敏感。
氣體腰輪流量計(jì)在使用中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。
a.為防卡、堵，流量計(jì)前應(yīng)加裝網(wǎng)目數(shù)恰到好處的過濾器，并注意排污、檢查和清洗過濾網(wǎng)。
b.儀表投運(yùn)前應(yīng)先走旁通，并確保儀表前、過濾器后的管段內(nèi)沒有焊渣等垃圾。投運(yùn)步驟與前面所述的氣體渦輪流量計(jì)相同。防止腰輪在超速條件下運(yùn)行。
c.應(yīng)防止計(jì)量腔積液，為此，儀表應(yīng)垂直安裝，流量計(jì)應(yīng)高出工藝管線，以便定期排出積液。
d.容積式流量計(jì)運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)，其上下游壓差可能產(chǎn)生相應(yīng)變化，因此維修人員應(yīng)經(jīng)常留心觀察此壓差，從而對(duì)故障是否存在作出判斷。
e.沖洗管道的蒸汽禁止通過流量計(jì)。
f.定期拆洗保養(yǎng)和潤(rùn)滑。
容積式流量計(jì)的不足之處是高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噪聲較大。轉(zhuǎn)動(dòng)部分一旦被垃圾卡死就會(huì)影響天然氣的供應(yīng)。其另一個(gè)特殊的地方是有降壓脈動(dòng)。根據(jù)測(cè)量原理，腰輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生小的壓力脈動(dòng)。通常情況下，此脈動(dòng)對(duì)自身測(cè)量無影響，但在用標(biāo)準(zhǔn)表同腰輪流量計(jì)串聯(lián)起來校準(zhǔn)時(shí)，就有可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。
②旋進(jìn)旋渦流量計(jì)
a.儀表結(jié)構(gòu)與工作原理。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖 3.26 所示，它由殼體、旋渦發(fā)生器、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換顯示系統(tǒng)組成。旋渦發(fā)生器使氣流旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生旋渦流，殼體內(nèi)的文丘里管及擴(kuò)散段使渦流發(fā)生進(jìn)動(dòng)，檢測(cè)元件將進(jìn)動(dòng)頻率檢測(cè)出來。轉(zhuǎn)換和顯示系統(tǒng)將檢測(cè)到的信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換后經(jīng)運(yùn)算在顯示器上顯示并將信號(hào)送二次表處理。
b.儀表的特點(diǎn)：工作溫度范圍寬；范圍度大；雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)，不受流體溫度、壓力、密度和黏度影響；適應(yīng)性強(qiáng)，除含有較大顆?；蜉^長(zhǎng)纖維雜質(zhì)外，一般不需裝過濾器；對(duì)上下游直管段要求較低，取上游4D和下游2D直管段即可；輸出頻率同體積流量成線性關(guān)系。
其不足之處是壓損較大，其次，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)屬流體振動(dòng)式流量計(jì)，對(duì)于管道振動(dòng)和電磁干擾較敏感，所以只能在振動(dòng)較小、無電磁干擾的環(huán)境中使用。
