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)品氣計量采用了均速管流量計，為保證計量準(zhǔn)確性，應(yīng)定期對其進(jìn)行檢測。由于均速管流量計是一種插入式流量計，拆表外送檢驗，從技術(shù)上和實際操作上難度很大，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（以下簡稱超聲波流量計）對普光氣田凈化廠聯(lián)合裝置的均速管流量計進(jìn)行了比對測試，取得了較為滿意的結(jié)果。
一、超聲波流量計原理
超聲波流量計采用數(shù)字式多脈沖 MultiPulse ™時差技術(shù)。每聲道的兩個寬束超聲波換能器，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)時間。通過這種檢測方法，1010GCN 氣體流量計能夠分辨±100ps內(nèi)的相關(guān)聯(lián)聲波的傳輸時間差。利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時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流量計對工況體積動態(tài)補(bǔ)償，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。因此，流量計需要輸入工況操作溫度和壓力流量計，可以通過輸入氣體壓縮因子或是通過內(nèi)置表格使用動態(tài)AGA8號報告補(bǔ)償來修正標(biāo)準(zhǔn)體積。
二、現(xiàn)場比對測試操作
1010GCN外夾式氣體超聲波流量計，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）測量點的選擇與管道參數(shù)的測量
正確選擇測量點，準(zhǔn)確地測量管道參數(shù)，是減少附加比對測試誤差的前提條件。為此必須做到以下兩點：一是測量點應(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，測量點處應(yīng)無焊縫、無振動及無電磁干擾源等；二是由被測單位提供測試管道設(shè)計參數(shù)，現(xiàn)場用卡尺或鋼卷尺和超聲波測厚儀對管道外徑及壁厚進(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、安裝方式和安裝間距。氣體超聲波流量計與液體超聲波流量計相比，測量信號更容易受到噪音信號干擾，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對測量結(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、粘度和被測點氣體的溫度、壓力等可靠數(shù)據(jù)。組份用于計算氣體壓縮因子，比熱率用于計算氣體的平均比重，粘度用于進(jìn)行流態(tài)補(bǔ)償計算。1010GCN流量計可以通過輸入固定的壓縮因子或是通過內(nèi)置表格使用動態(tài)AGA8號報告補(bǔ)償來修正標(biāo)準(zhǔn)體積。現(xiàn)場溫度、壓力如果變化不大時，可以輸入固定值，如果變化較大，1010GCN流量計提供了4個模擬信號輸入通道，可以對溫度、壓力模擬信號定義后，實時采集溫度、壓力信號，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
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，將超聲波流量計主機(jī)時鐘按照中控室DCS系統(tǒng)時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，由流量計主機(jī)自動記錄測試時間和測試結(jié)果。
我們選用的1010GCN外夾式氣體超聲波流量計經(jīng)過了國家石油天然氣大流量計量站南京分站的實流檢定，準(zhǔn)確度等級達(dá)到了1.0級。為進(jìn)一步驗證其現(xiàn)場檢測精度，我們首先在普光分公司外輸天然氣計量撬管線上進(jìn)行了測試，與外輸超聲波流量計進(jìn)行了比對，數(shù)據(jù)見表1。
表1： 凈化廠外輸計量撬流量比對測試數(shù)據(jù)
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序號 |
測試地點 |
測試時長 min |
現(xiàn)場壓力MPa |
現(xiàn)場溫度 |
累積流量Nkm3 |
外輸流量計累積流量Nkm3 |
相對誤差 |
|
計量撬D路 |
15 |
7.53 |
35.1 |
68.13 |
68.79 |
-0.96 |
|
|
計量撬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精度符合現(xiàn)場測試要求。利用該流量計先后對凈化廠的六套聯(lián)合裝置的原料氣和產(chǎn)品氣共18個流量測量點的均速管流量計進(jìn)行了在線比對測試，數(shù)據(jù)見表2。
表2： 凈化廠聯(lián)合裝置均速管流量計比對測試數(shù)據(jù)
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序號 |
測試地點 |
測試時長 min |
現(xiàn)場壓力MPa |
現(xiàn)場溫度 |
累積流量Nkm3 |
均速管流量計累積流量 Nkm3 |
均速管流量計誤差 |
|
一聯(lián)合一列原料氣 |
10 |
7.93 |
32.5 |
15.09 |
11.44 |
-24.19 |
|
|
一聯(lián)合二列原料氣 |
10 |
7.94 |
34.6 |
22.38 |
21.87 |
-2.27 |
|
|
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 |
|
|
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 |
|
|
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 |
|
15 |
三聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
10 |
7.59 |
37.0 |
29.39 |
31.63 |
7.64 |
|
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 |
|
18 |
六聯(lián)合產(chǎn)品氣 |
18 |
7.49 |
45.5 |
54.63 |
49.37 |
-9.63 |
對表2測試結(jié)果進(jìn)行分析，18臺均速管流量計中誤差最大的是六聯(lián)合一列的原料氣，相對誤差為-51.22%；誤差最小的是三聯(lián)合一列原料氣，相對誤差為0.27%，有15臺均速管流量計誤差超過了±3.0%，說明該種流量計在長時間運(yùn)行后其計量精度降低，不適用普光氣田凈化廠天然氣流量計量。
三、結(jié)論
利用1010GCN外夾式氣體超聲波流量計對普光氣田凈化廠聯(lián)合裝置流量計量系統(tǒng)進(jìn)行在線比對測試，可以給出每臺均速管流量計的修正系數(shù)，滿足了生產(chǎn)計量的需要。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：
①不同型號的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或更大時性能最佳，小到5：1時測量效果會變差。
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)果會相差0.3%左右，壓力相差0.1 MPa，流量測量結(jié)果會相差1.3%左右。
③信噪比大小對測量結(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，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，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、閥等擾動設(shè)備。換能器安裝時應(yīng)避開管道的焊縫及連接處，安裝在傾斜和水平管道上時，不要安裝在上部或底部，應(yīng)安裝在管道截面九點至十點方位，正確貼住管壁使超聲波傳播途徑通過管道中心。
