气体超声流量计的应用探讨,流量计性能特点

科学技术的发展和流量测试技术研究的深入，近几年来气体超声流量计的问世引起了流量界广泛的兴趣。美国AGA于1998年发布了AGA9号报告《用多声道超声流量计测量天然气流量》；之后不久ISO于同年12月也发布了ISO/TR-12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管内的流体流量》技术报告。为了适应我国西部天然气开发，满足西气东输工程的要求，我国于2001年内编制了GB/T 18604《用气体超声波流量计测量天然气流量》的国家标准。同时，为了验证该类型流量计的性能，西南油田分工司率先首批有针对性地引进了国外二个公司的超声流量计产品，并在华阳天然气流量测试中心，对其性能进行了系统测试，之后在典型站场上进行了工业性试验，为今后该类型流量计在我国天然气领域中的推广使用提供了宝贵经验。

准确地进行天然气流量测量是企业部门进行经济分析，降低运行成本的关键一环，直接地影响着一个企业的经济效益，倍受供需双方关注。随着世界能源供求日益紧张；人们都十分关心并寻求一种精度高，适应性强的流量计来测量天然气流量，以维护企业的利益。超声流量计自投放市场以来，与目前其他类型流量计相比，显然有着更多更好的性能特性，因而倍受人们青睐。近几年，在北美及加拿大新建设几条大型输气管道工程中，如AIIiance管线、Vector管和北部边疆等管道工程中已开始用超声流量计，作为贸易计量，应用效果已得到证实。*近二、三年来，我国先后从国外引进了超声流量计约30台，西南油田分公司占三分之一。据不完全统计，我国目前所使用的超声流量计约占世界使用量的５％，可见我国流量界是相当关注这一新型流量仪表。目前，正在拟建中的新疆轮南至上海的西气东输工程，贸易计量的*流量计为超声流量计，口径DN250~300mm；中小型站场选用DN50~200mm涡轮流量计。随着我国天然气工业的发展，超声流量计在天然气工业领域中的应用前景看好。

随着科学技术发展，出现新型流量计是必然的。然而由于天然气流量测量技术本身涉及面广，随着对象不同，对流量计有着不同的要求，也就是说客观上多种流量计并存，才能满足不同场合和层次的需求。尽管超声流量计与目前使用广泛的孔板流量计相比，有着更多的优点，主要反映在有较低的系统基本投入，双向测量，大量程比，无压损，无可动部件和高精度等。但由于孔板流量测量技术历史悠久，标准化程度高，使用简单可靠，一般无特殊要求时无须标定等特点。由此可见，尽管超声流量计已问世，它只能起到互补作用，可以肯定不可能完全替代。在今后相当长一个时期内，由于种种因素的制约，特别是标定不能获得妥善解决之前，孔板流量计仍是天然气计量主要手段之一。

任何一种新型流量计多获得工业化应用和认可都要历经一个相当长的过程，这也就意味着人们一方面对它的认识，另一方面流量计本身与应用中所暴露出来的问题，能否得到满意的解决。就超声流量计而言，仍有一些实际使用中的工作需要做，超声流量计工业化试验试用还需要进一步开展。尽管目前发布有AGA N09号报告，ISO发布有TR12765技术文件，我国也制定了相应的GB/T18604标准。从工业化，标准化应用角度来看，超声流量计要获得工业上广泛应用，还应当解决以下四个方面问题。

·针对工业流场上游侧不同类型阻力件产生的影响，如何合理确定不同情况下流量计上游直管段长度；
·操作压力、温度及气体组分的变化对流量测量影响及校正办法；
·不同雷诺数速度分布剖面修正系数精确确定和流量计主体几何尺寸误差所带来对精度的影响；
·探头电气特性的稳定性及探头的互换性等。

从超声流量计的结构和测量试验方法来看，这种速度型流量仪表可以实现“干标”。这是因为流量计腔体几何尺寸D和声道长度尺寸L和X值(X代表传感器间的轴向长度)，利用目前的测量技术及手段，几何尺寸是可以获得准确测定。如果电子电路和传感器的性能获得准确测量，传感器组件的电气特性稳定并具有可互换性，那么“干标”就可获得实际的应用。然而，目前仍没有足够技术措施和理由来证明这一点，也就是未就“干标”达成共识。当前，在北美、南美、欧洲、对贸易计量的超声流量计供需双方都要求有足够的测量精度，基于合同双方这一要求，可信赖办法还是要标定。对于口径较小的气体超声流量计(DN<300mm)利用目前国内、外已建标定装置进行标定虽然可以办到；对于口径大于DN300，高压大流量标定装置目前还很难办到。从实际应用角度出发，将流量计从现场卸下来运到标定中心去标定，对于用户来讲是一种极大的负担，而且每标定一次费用是相当高的，相比之下大口径流量计其费用占有更高百分比。从制造厂角度来看，为了使流量计的测量误差或系统误差达到*小，为了满足精度，出厂前要进行标定，这将产生附加的产品成本。根据导由于管径、压力、投资及标定系统运行费用等多方面原因和所需考虑的条件，目前世界上很难找到有几套装置能标DN300mm以上的超声流量计。这无疑将制约大口径超声流量计的应用和中小口径超声流量计的广泛使用。鉴于这一情况，在选用超声流量计一定要权衡利弊，特别是流量计定期标定问题。

“干标”与流量标定不同，它不是利用标准表或参比表来检查所用流量计的结果。为了解决这一问题，为流量计广泛使用铺平道路，国外超声流量计制造厂家致力于“干标”法的研究。目前，一般出厂前无特别要求都是采用“干标”法，主要包括：

1、流量计几何尺寸的检定。为保证流量计的精度，声道长度L和声道与介质间夹角?是非常重要的基本参数，精确控制测量公差将改善精度，这一点在目前条件下是可以采用高性能设备获得。精确的几何尺寸是提供电子线路组态的基础。

2、电子线路与探头（传感器）性能测试。一方面是检测其性能指标是否符合设计规定要求，更重要是复核其性能指标稳定性，即电子部分的稳定度是否满足要求。电子线路和探头性能稳定度是超声流量实现“干标”和探头具有良好互换性的关键。这也是目前能否实现“干标”的主要矛盾。

3、零流量检查。当没有流量时，流量计的示值应当为零，而且应当有良好的重复性。当然，在测试时应当保证在热稳定环境中进行。当在现场管路中进行时，应将流量计上下游阀门处于关闭状态下进行，保证阀门不漏，避免流量计处于日光暴晒下。

4、声速／声程标定，当气体的温度、压力和气体组分保持不变时，不管流量多少，声速将是恒定值。为了获得准确的声速值，流量计用一种带恒压和已知组分的气体。在工厂条件下，一般要按用户提供组分进行这一标定是很困难，能办到费用也很高，况且一般用户在实际使用流量计时组分是有变化的。为此，在工厂内一般是采用诸如纯N2气（99.995％）来进行这一工作。看来研究压力、温度及组分变化而带来影响和修正是十分必要的。

目前，国外主要超声流量计厂家会同有关研究部门开展“干标”的试验研究工作，取得了一定的成果，但要作为一种可信赖和标准化的方法列入公认的标准中还需要进行大量研究验证。
电磁流量计传统的定期维护检查是将流量传感器卸下管线清扫和检查，然后实施流量校准。为减少流量传感器从管道上卸装损伤衬里，先在管线上测量绝缘电阻等推断有无异常现象，再决定下一步是否卸下管线检查或实流流量校准。一般有条件的(真正贯彻ISO9001质量管理体系)企业大致检查方式为：(1)、1/3只作在线检查；(2)、1/3卸下管线做接液部位清扫后检查；(3)、1/3离线作流量校准。
检查内容
检查电磁流量计，除零点检查外，还将流量传感器、转换器和连接电缆分开进行。
1、整机零点检查
整机零点检查的技术要求是：流量传感器测量管充满液体且无流动，这在许多企业现场不具备条件而放弃整机的零点检查和调整，但可转而对转换器作单独的零点检查和调整。从技术上讲，这必须在传感器检查完毕后且保证传感器励磁回路和信号回路的绝缘电阻正常(均包含电缆)的前提下才有实际意义，否则整机就不能正常运行。通常转换器单独零点为负值，数值也很小；如果其值大于满量程的5% 就需要先做检查，待确认原因后再作调整。通常情况下电磁流量计整机的零点和转换器单独的零点差异值小于1%。大于5% 的零点差异值有许多情况是用户在管道阀门关闭不良情况下进行不正确调零操作所致。
2、连接电缆检查
该项检查内容是检查信号线与励磁线各芯导通和绝缘电阻，检查各屏蔽层接地是否完好。3、转换器检查
该项检查内容是用通用仪表以及流量计型号相匹配的模拟信号器代替传感器提供流量信号进行调零和校准。校准包括零点检查和调整、设定值检查、励磁电流测量、电流/频率输出检查等。需要注意的是：检查项目要与上一次检查值(或出厂值)进行比较，分析其是否有变化或变化是否符合原计量要求。
4、流量传感器检查
该项检查内容是：通过对励磁线圈的检查和检查转换器所测得的励磁电流以间接评价磁场强度是否变化；测量电极接液电阻以评估电极表面受污秽和衬里附着层状况；检查各部位绝缘电阻以判断零件劣化程度以评估是否会引入干扰。对能停止介质流动条件的管线则可观察和测量电极和衬里附着层厚度，以估算清洗附着层前后因流动面积变化引入的流量值变化。
(1) 测量励磁线圈铜电阻
用高度数字万用表或惠斯登电桥测量线圈电阻，必要时作温度系数修正后与仪表档案值比较。确认线圈是否导通良好和无匝间短路现象。
(2) 检查励磁线圈绝缘电阻
励磁线圈及其接线端子受潮后励磁回路对地绝缘下降，很可能把励磁信号引入流量信号传输电路，使电极加上一个较大的绝缘电阻和信号电阻对励磁电压的分压，形成较大的共模干扰信号。当这一干扰信号超过转换器前置放大器的抑止能力，就会使转换器零点漂移。绝缘电阻下降不十分严重时，这一现象在仪表运行时还不易察觉。除IP68无接线端子盒外，实践中由于疏忽，接线端子盒未密封进入潮气，端子绝缘电阻下降到5～6MΩ以下时易造成故障。吹干端子，通常故障就可消除。
(3) 检查电极接液电阻
流量传感器的电极接液电阻应在新装仪表调试好后立即测量，并记录在案。以后每维护一次测量一次，分析比较这些数据有助于判断仪表故障原因。
电极与液体接触电阻值取决于接触表面的被测液体电导率。不同介质所测电阻值有明显区别。电极接液电阻可用指针式万用表在测量管充满液体时分别测量每个电*子与地间的电阻。经验表明分别测量两电极的接触电阻值之差应小于10%～20%，否则表明有故障。
测出的电极接液电阻与原测量值比较若有差异，原因为：a、两电极绝缘性附着层覆盖不一致或某一电极信号回路绝缘电阻下降；b、电阻值增加则是电极表面被绝缘层覆盖；c、电阻值减少则是电极附近衬里表面附着导电沉积层或电极装配(如绝缘套圈)绝缘下降。有时虽未形成故障，但应作为故障前兆而采取相应措施。
(4) 测量电极/液体间极化电压
测量此电压将有助于判断电极是否被污秽或覆盖，由此可能形成零点不稳或输出晃动的故障。
(5) 检查信号电路绝缘和励磁电路/信号电路之间绝缘
该项检查目的是评估是否因绝缘下降而引入干扰。检查信号电路时，信号线要临时与电极脱开。引起绝缘下降原因有接线盒未密封进入潮气、防护型传感器的电缆割断再接续时未做好防潮处理等。
(6) 检查电极绝缘电阻和衬里状况
该项检查对小口径仪表要从管线卸下，对大口径仪表则可放空积液后从入孔进入管道观察：擦干衬里内表面用兆欧表分别测试两电极对地绝缘电阻；若衬里有附着层则须清除并按积层厚度确定清洗周期；若附着层不厚且电导率与液体相同则可忽略不计面积变化附加误差；若附着层电导率小于液体将产生正向附加误差，反之则产生负向附加误差。电极绝缘电阻一般要求大于100MΩ，绝缘下降多因电极、衬套等受外界浸水受潮所致(用热吹风排除潮气即可)；若绝缘破坏(如腐蚀液从密封处侵入)则须调换传感器或返回厂家修理。
四、笔者对企业有效进行日常检查的建议
1、制订日常检查的规范文件
企业应在贯彻ISO9001标准建立质量管理体系的基础上制定自己的日常检查作业指导书，有条件的大型企业可制定“电磁流量计在线校验方法”或“电磁流量计在线校验规范”，以保证在用电磁流量计的受控有效。
2、推广应用日常检查专用仪器
国内外已相继开发专用电磁流量计测试和检验仪器等，这类专用仪器的应用场所已应用于水行业以及冶金化工等流程工业，有条件的企业应积极推广应用。其发展将是专用检验仪器和便携式PC机配合使用：在现场或校准室，专用仪器一端接电磁流量转换器另一端接PC机，完成日常检查的测试和检验作业。