③天然氣流量計算實(shí)例(孔板開孔直徑設(shè)計計算)詳見3.8節(jié)。
(3)氣體渦輪流量計方法氣體渦輪流量計是僅次于孔板流量計的被廣泛用于天然氣流量測量的儀表。
氣體渦輪流量計的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便；外形尺寸相對較小；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，因此在同可編程流量顯示表配用時，容易得到較低的系統(tǒng)不確定度。近幾年來，國內(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，軸承與軸之間機(jī)械摩擦，壽命不很長，因此應(yīng)注意潤滑，可利用制造廠所提供的潤滑手段，定期補(bǔ)給潤滑油。
另外，高速流動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，渦輪流量計前的管道上應(yīng)加裝過濾器。
儀表投運(yùn)步驟:如果計量回路裝有旁通閥，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)氣體超聲流量計方法
用聲學(xué)測量技術(shù)測量流體流量已有約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，用氣體超聲流量計測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)的氣體超聲流量計具有測量范圍寬、測量準(zhǔn)確度高、無壓損及可動部件、安裝使用費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，它已被歐美等國用戶用于天然氣貿(mào)易計量。至今已有美國、荷蘭、英國、德國等12個國家的政府批準(zhǔn)氣體超聲流量計作為法定計量器具。美國煤氣協(xié)會已于1998年6月發(fā)布了AGA Re-port No.9《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》。我國主要參考了該報告，并參考了ISO/TR 12765《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內(nèi)的流體流量》，制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18604-2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》。
①基本原理。用來測量天然氣流量的超聲流量計一般是自帶測量管段的由超聲換能器等構(gòu)成的時差法流量計量器具，換能器一般沿管壁安裝，且直接同流體接觸，由一個換能器發(fā)射的超聲波脈沖被另一個換能器所接收，反之亦然。圖3.24所示為 Tx1和 Tx2兩個換能器的簡化幾何關(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，聲波將以相同速度向兩個方向傳播，當(dāng)管道中的氣體流速不為零時，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，相對于沒有氣流的情況，順流傳播的時間tD將縮短，逆流傳播的時間tu會增長，根據(jù)這兩個傳播時間，就可以計算測得流速。這就是時差法超聲流量的基本原理。
對于充分發(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。流量計可以沿兩個或多個傾斜弦線直接傳播聲波或經(jīng)反射傳播聲波。用于將各個聲道的測量值合成為平均流速的方法也隨流量計的特定結(jié)構(gòu)而變化。
②流量測量準(zhǔn)確度
a.氣體超聲流量計的測量準(zhǔn)確度受下列諸因素的影響：流量計殼體幾何尺寸和超聲傳感器位置的參數(shù)的準(zhǔn)確性；流量計所采用的積分技術(shù)；速度分布剖面的質(zhì)量、氣流的脈動程度和氣體的均勻性；傳播時間測量的準(zhǔn)確度。傳播時間測量的準(zhǔn)確度又取決于電子時鐘的穩(wěn)定性、對聲脈沖波參考位置檢測的一致性及對電子元件和傳感器信號滯后的適當(dāng)補(bǔ)償。
對于每一尺寸結(jié)構(gòu)的氣體超聲流量計，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，測量性能應(yīng)滿足下列要求。
氣體超聲流量計的準(zhǔn)確度不僅同流速有關(guān)，而且同儀表口徑有關(guān)。對于小口徑儀表，由于聲道長度較短，在紊流氣體中測量聲波傳播時間比較困難，因此小口徑氣體超聲流量計的準(zhǔn)確度較難提高。
b.大口徑流量計的準(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應(yīng)當(dāng)滿足下列測量準(zhǔn)確度要求(見圖 3.25)。
d.雙向測量的準(zhǔn)確度。氣體超聲流量計具有雙向測量能力，而且雙向測量的準(zhǔn)確度相同。
③儀表的使用
a.適用范圍。氣體超聲流量計適用于DN≥100mm、p≥0.3MPa(表壓)的生產(chǎn)裝置、輸氣管線、儲藏設(shè)施、配氣系統(tǒng)和大用戶終端計量站中的天然氣計量。
b.天然氣氣質(zhì)要求。流量計所測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.測量管內(nèi)附著物的處理。正常輸氣工況下在流量計測量管內(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)會減少流量計的流通面積，影響計量準(zhǔn)確度。同時附著物還會阻礙或衰減超聲傳感器發(fā)射和接收超聲信號，或者影響超聲信號在流量計測量管內(nèi)壁的反射，因此流量計測量管應(yīng)定期檢查、清洗。
④儀表的安裝
a.避開振動環(huán)境。氣體超聲流量計的安裝應(yīng)盡可能避開振動環(huán)境，特別要避開可能引起信號處理單元、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。來自被測介質(zhì)內(nèi)部的噪聲可能會對氣體超聲流量計的準(zhǔn)確測量帶來不利影響，在設(shè)計、安裝過程中應(yīng)讓氣體超聲流量計盡可能遠(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)較臟的場合，可在流量計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具有雙向流測量功能，并且也準(zhǔn)備將其應(yīng)用于這種測量場合，那么在設(shè)計安裝時，流量計的兩端都應(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。流量計應(yīng)具有對信號處理單元(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的質(zhì)量。
⑥報警功能。流量計應(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)的形式提供下述報警狀態(tài)輸出，以便及時采取應(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。
b.故障狀態(tài):當(dāng)若干個監(jiān)視參數(shù)中的任一個在相當(dāng)?shù)囊欢螘r間內(nèi)超出了正常工作范圍。
c.部分失效:當(dāng)多路聲道的一個或多個無法使用時。
⑦零流量檢驗(yàn)測試。每臺流量計都應(yīng)進(jìn)行零流量檢驗(yàn)測試，并遵循以下步驟。
a.在流量計兩端裝上盲板后，用抽吸或置換的方法將流量測量管內(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，在這個測量腔內(nèi)保持零流量。
b.從測試開始，氣體的壓力和溫度應(yīng)保持穩(wěn)定。在零流量時，信號的順流傳播時間tD和逆流傳播時間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)測試時，每個流量點(diǎn)至少測試3次，每次數(shù)據(jù)采集時間不得小于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)的誤差計算校正值，并采用合適的誤差修正方法予以修正。
⑨現(xiàn)場驗(yàn)證測試要求。氣體超聲流量計一般都有豐富的自診斷功能，在儀表工作異常時，調(diào)閱診斷信息，可獲得重要線索。除此以外，還可通過下面的測試和分析，對儀表工作情況作出判斷。
a.零流量測試。在無流動介質(zhì)的情況下，檢查流量計的讀數(shù)是否為零或在流量計本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
b.聲速測試及分析。首先測出某一工況條件下的實(shí)際聲速，再計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.聲道長度測試及分析。首先測量出實(shí)際聲道長度，然后在零流量條件下，由理論聲速和測量出的傳播時間計算出聲道長度，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。對于多聲道超聲流量計，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。面對系統(tǒng)繁雜、需求多樣的用戶群體，要處理許多同輸氣計量站不同的問題，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(直管長度不足)；管道維護(hù)力量薄弱；要求計量儀表功能簡明易懂、操作方便、免維修、價格適中等。在作計量儀表選型時，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。用作天然氣計量的旋轉(zhuǎn)式容積流量計主要是氣體腰輪流量計，不僅可用來計量干氣，也可用來計量濕氣(即伴生氣)。由于孔板流量計和渦輪流量計不適應(yīng)測量含有液滴的伴生氣，氣體腰輪流量計因沒有嚴(yán)格要求，所以相對具有一定的優(yōu)越性。容積式流量計的另一優(yōu)點(diǎn)是對流動脈動不敏感。
氣體腰輪流量計在使用中應(yīng)注意以下幾個問題。
a.為防卡、堵，流量計前應(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相同。防止腰輪在超速條件下運(yùn)行。
c.應(yīng)防止計量腔積液，為此，儀表應(yīng)垂直安裝，流量計應(yīng)高出工藝管線，以便定期排出積液。
d.容積式流量計運(yùn)行出現(xiàn)問題時，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。
f.定期拆洗保養(yǎng)和潤滑。
容積式流量計的不足之處是高速轉(zhuǎn)動時噪聲較大。轉(zhuǎn)動部分一旦被垃圾卡死就會影響天然氣的供應(yīng)。其另一個特殊的地方是有降壓脈動。根據(jù)測量原理，腰輪轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生小的壓力脈動。通常情況下，此脈動對自身測量無影響，但在用標(biāo)準(zhǔn)表同腰輪流量計串聯(lián)起來校準(zhǔn)時，就有可能對標(biāo)準(zhǔn)流量計的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。
②旋進(jìn)旋渦流量計
a.儀表結(jié)構(gòu)與工作原理。旋進(jìn)旋渦流量計的結(jié)構(gòu)如圖 3.26 所示，它由殼體、旋渦發(fā)生器、檢測元件和轉(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，檢測元件將進(jìn)動頻率檢測出來。轉(zhuǎn)換和顯示系統(tǒng)將檢測到的信號放大和轉(zhuǎn)換后經(jīng)運(yùn)算在顯示器上顯示并將信號送二次表處理。
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^長纖維雜質(zhì)外，一般不需裝過濾器；對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)旋渦流量計屬流體振動式流量計，對于管道振動和電磁干擾較敏感，所以只能在振動較小、無電磁干擾的環(huán)境中使用。
