超聲波流量計在天然氣貿(mào)易結(jié)算的應用

摘 要

摘要：分析了超聲波流量計的應用現(xiàn)狀及和技術(shù)特點，論述了FLOWSIC600超聲波流量計的系統(tǒng)組成、運行模式，以及將該流量計用于大張坨地下儲氣庫的改造方案。關(guān)鍵詞：天然氣計量；天然氣
摘要：分析了超聲波流量計的應用現(xiàn)狀及和技術(shù)特點，論述了FLOWSIC600超聲波流量計的系統(tǒng)組成、運行模式，以及將該流量計用于大張坨地下儲氣庫的改造方案。
關(guān)鍵詞：天然氣計量；天然氣貿(mào)易結(jié)算；超聲波流量計；超聲波換能器
Application of Ultrasonic Flowmeter to Natural Gas Trade Settlement
HAO Chang-fu，HAN Jie
Abstract：The present application status and technical characteristics of ultrasonic flowmeter are analyzed. The system components and operation mode of FLOWSIC600 ultrasonic flowmeter as well as its application to reconstruction scheme of Dazhangtuo underground gas reservoir are described.
Key words：natural gas metering；natural gas trade settlement；ultrasonic flowmeter； ultrasonic transducer
1 國內(nèi)外應用現(xiàn)狀
國外超聲波流量計開發(fā)起步較早，1928年德國人研制成功第一臺超聲波流量計，至今已有逾80年歷史。由于技術(shù)不成熟，直到上世紀末，歐洲使用的流量計仍以渦輪流量計、羅茨流量計為主，如在荷蘭渦輪流量計、羅茨流量計的使用量約占流量計總量的80%。在加拿大渦輪流量計的使用量約占流量計總量的90%，而美國則以孔板流量計為主，孔板流量計約占流量計總量的80%。從整體上看，在流量計使用上，20世紀70年代形成了孔板流量計使用高潮，20世紀80年代形成了渦輪流量計使用高潮，20世紀90年代中后期則掀起了超聲波流量計熱潮[1]。
我國超聲波流量計起步較晚，只有近10年的使用歷史。目前北京、大慶、新疆、四川、天津、河北、上海等地已逐步引進氣體超聲波流量計，主要有德國Elster-Instromet集團、德國Sick Maihak公司、美國Daniel公司等企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。國內(nèi)產(chǎn)品只有上海某公司生產(chǎn)的氣體超聲波流量計。天津燃氣集團在20世紀70年代對源頭貿(mào)易計量全部使用孔板流量計；在20世紀90年代將渦輪流量計用于貿(mào)易結(jié)算，源頭計量仍以孔板流量計主；2000年開始在津沽罐站應用超聲波流量計；目前貿(mào)易結(jié)算使用的超聲波流量計主要有Sick Maihak公司、Elster-Instromet集團等企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2 超聲波流量計的特點
    超聲波流量計與孔板流量計、渦輪流量計等傳統(tǒng)流量計相比，有如下特點：
    ① 適用于各種管徑的高精度計量。管徑最大可達1600mm，流量和管徑越大，精度越高。100～1600mm管徑的超聲波流量計在較大流量下，相對差小于0.5%[2]。
    ② 測量范圍寬[2]。量程比一般為1:(40～160)。如Sick Maihak公司生產(chǎn)的FLOWSIC600四聲道超聲波流量計可在超小流量(按流速為0.3m/s換算)和超高流量(流速可達65m/s，無環(huán)境噪聲)下正常工作，保證測量精度。這有效地解決了用戶投產(chǎn)初期和后期流量范圍的矛盾。
    ③ 重復性好[2]。超聲波流量計測量部件與氣體不直接接觸，對現(xiàn)場安裝要求不高，因此計量重復性好。
    ④ 能實現(xiàn)雙向計量。超聲波流量計增加一套儲存計數(shù)裝置，就可以實現(xiàn)雙向計量，適用于供氣不平衡或用于調(diào)峰的供氣管道。
    ⑤ 不受氣體雜質(zhì)影響[3]。渦輪流量計的葉輪、孔板流量計的孔板易受氣體雜質(zhì)的沖擊而造成損壞，影響計量精度和正常使用。而超聲波流量計基本不受雜質(zhì)影響，尤其是FLOWSIC600四聲道超聲波流量計，傳感器為全金屬，抗腐蝕、抗高速氣流沖擊，測量性能穩(wěn)定。
3 超聲波流量計的應用
3.1 天津支路調(diào)壓計量系統(tǒng)現(xiàn)狀
    大張坨地下儲氣庫位于天津市大港區(qū)，是北京華油天然氣有限責任公司與天津市燃氣集團的貿(mào)易結(jié)算點。它由北京華油天然氣有限責任公司出資興建，是專門用來為京津地區(qū)儲存天然氣的地下儲氣庫。其天津支路為津塘二線沿線、濱海新區(qū)、寧河縣各類用戶供應天然氣。該調(diào)壓計量系統(tǒng)始建于2003年，當年投入使用。工藝采用兩路DN 100mm調(diào)壓計量系統(tǒng)，先計量后調(diào)壓，流量計選用比利時Instromet儀表公司生產(chǎn)的氣體渦輪流量計。經(jīng)過兩年的運行，特別是2004年冬季出現(xiàn)供氣緊張局面，天津支路調(diào)壓計量系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。①渦輪流量計出現(xiàn)故障，影響穩(wěn)定供氣。由于地下儲氣庫儲存的陜北天然氣含有雜質(zhì)顆粒，其中一臺渦輪流量計在高壓氣流沖擊下葉輪損壞，另一臺送去檢驗，供氣出現(xiàn)緊張狀態(tài)。為此，儲氣庫分公司在大張坨地下儲氣庫天津支路安裝了一臺規(guī)格為DN 100mm的四聲道超聲波流量計應急使用。②接氣壓力過低，調(diào)壓系統(tǒng)出現(xiàn)異常。儲氣庫調(diào)壓器前高壓天然氣運行壓力一般為3～4MPa，用氣高峰時段達到6MPa，而天津燃氣集團接氣管道設(shè)計壓力僅為0.8MPa，造成調(diào)壓器前后壓力差最高達到5.2MPa。壓力驟降造成調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)露、結(jié)霜，調(diào)壓系統(tǒng)出現(xiàn)異常，影響安全供氣。大張坨地下儲氣庫采用向管道中注入甲醇的方法，防止管道設(shè)施結(jié)露、結(jié)霜。這種方法只能作為解決問題的臨時措施，不能長期采用。
3.2 改造方案的選定和實施步驟
3.2.1改造方案的選定
    從長遠供氣需求考慮，將調(diào)壓后管道改造，運行壓力調(diào)整為0.8～4.0MPa，運行環(huán)境溫度為-20～40℃?？紤]到渦輪流量計和孔板流量計屬接觸式計量，葉輪或孔板易受雜質(zhì)損壞，而超聲波流量計性能優(yōu)越，可以彌補此類缺陷，故流量計選用Sick Maihak儀表有限公司生產(chǎn)的FLOWSIC600四聲道超聲波流量計，配備FC2000流量計算機。流量計規(guī)格為DN 250mm，流量適用范圍為50～7000m3/h，介質(zhì)溫度適用范圍為-30～180℃，壓力適用范圍為0～10MPa，測量精度等級為0.5級，重復性指標為0.2%?？紤]到北京華油天然氣有限責任公司與天津市燃氣集團的管理需要，安裝超聲波流量計信息處理系統(tǒng)和計量信息遠傳系統(tǒng)。
3.2.2改造方案的實施步驟
    ① 將進站和出站閥門關(guān)閉并加盲板。
    ② 安裝現(xiàn)場流量計。根據(jù)計量裝置現(xiàn)狀，將原過濾器后變徑的管段、流量計本體、流量計專用前后管段拆除，從現(xiàn)狀過濾器法蘭后計算管段長度，在保證管段長度不小于公稱直徑的18倍(即4.5m)的前提下，安裝新DN 250mm超聲波流量計。
    ③ 安裝超聲波流量計信息處理系統(tǒng)。信息處理單元(SPU)通過RS485通信接口，經(jīng)專用通信電纜將流量數(shù)據(jù)傳到儀表控制室內(nèi)新安裝的超聲波流量計計算機通信接口上，由超聲波流量計算機完成流量補償、修正計算，作為供需貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。
    ④ 安裝計量信息遠傳系統(tǒng)。超聲波流量計算機通過RS485輸出流量數(shù)據(jù)至專用ADAM通信協(xié)議模塊上，由ADAM模塊將傳送的流量數(shù)據(jù)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為MODBUS標準通信協(xié)議，再通過通信電纜連接到原有向天津燃氣集團調(diào)度中心傳輸數(shù)據(jù)的專用RTU內(nèi)，由RTU系統(tǒng)向燃氣集團調(diào)度中心發(fā)送動態(tài)運行計量數(shù)據(jù)。
    ⑤ 供氣系統(tǒng)按規(guī)程恢復供氣，并對計量系統(tǒng)進行調(diào)試。
4 超聲波流量計系統(tǒng)組成及運行模式
4.1 FLOWSIC600系統(tǒng)組成
   ① 流量計的表體
   流量計的表體是由用于安裝超聲波換能器的基座和用于安裝管道的法蘭組成。流量計表體使用鑄鋼件制成，它是承載精密儀器的重要部件，必須保證制造上的一致性，才能保證幾何參數(shù)的可重復性，達到設(shè)計精度。采用整體化組裝，把換能器和纜線放入封套內(nèi)，避免由于焊接或高壓產(chǎn)生的膨脹、扭曲變形、不圓整，保護換能器，使換能器在運輸、安裝中免遭破壞。
   ② 超聲波換能器
   換能器是超聲波流量計的核心部件，是一種把電能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置。一般超聲波換能器組件包括外殼、匹配層(即聲窗)、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、接收器(由引出電纜、聲電換能器、金屬圓環(huán)、橡膠墊圈組成)。FLOWSIC600的超聲波換能器突破傳統(tǒng)的匹配層結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用全金屬設(shè)計，不使用任何匹配層。這種阻抗的匹配通過完全用鈦制造聲能變壓器的特別設(shè)計來實現(xiàn)。該換能器設(shè)計促進了換能器小型化，使流量計的結(jié)構(gòu)更緊湊；換能器接觸流體的部件采用60°安裝，實現(xiàn)傳播時間的高精度測量；流量計可以在常壓和10MPa的高壓下用同一種類型的換能器操作，使用范圍更廣；與使用匹配層的超聲波流量計相比更耐高溫，可在200℃條件下使用；抗腐蝕，抗高速氣流沖擊；使用超聲波頻率高達200kHz，有效防止電子管等和流量調(diào)節(jié)閥門的噪聲干擾；聲道布置改變通常的反射式，采用同一截面內(nèi)平行布置4個對射式聲道，確保流量計不會因雜質(zhì)黏著在管壁及管壁粗糙度變化造成超聲波方向偏離，保證流量測量的真實性，能補償渦流及不對稱流對計量精度的影響。
    ③ 信息處理單元
    信息處理單元(SPU)包括控制超聲波換能器工作所需的所有電子和電氣部件。它負責產(chǎn)生發(fā)射信號和接收返回信號，然后進行計算得到結(jié)果。信息處理單元有不同的接口與計算機或者標準的過程控制系統(tǒng)進行通信。采用新型大規(guī)模集成電路，使聲道正、反向時差測量的準確度達到納秒級，從而提高流量計量的準確度。氣體超聲波流量計配置現(xiàn)場顯示表頭，一個傳感器出現(xiàn)故障時顯示表頭報警?？涩F(xiàn)場顯示測量參數(shù)，并能在流量計算機出現(xiàn)故障情況下，保存流量數(shù)據(jù)并正常計量。
4.2 運行模式
   ① 測量模式
   表示無故障，脈沖信號和開關(guān)信號以及電流輸出信號都在運行過程中不斷地周期性更新。
    如果系統(tǒng)參數(shù)如聲速的比率、信噪比等超出了設(shè)定的正常值，系統(tǒng)會發(fā)出警告信息。操作者可以根據(jù)警告信息及時采取措施防止系統(tǒng)故障的產(chǎn)生。
   ② 請求檢查模式
   該模式是在一路檢測通道測量失敗以及檢測通道補償被激活時，檢測系統(tǒng)會自動補償。補償方法是通過系統(tǒng)的自檢功能允許流量計濾除不正常的測量結(jié)果，使用剩下的有效測量通道的數(shù)據(jù)和自適應通道系數(shù)來計算平均局部流速，可以準確地判定氣體流量。
   ③ 參數(shù)配置模式
   該模式可用于改變系統(tǒng)的參數(shù)和對系統(tǒng)進行實驗。當系統(tǒng)轉(zhuǎn)入該模式時，盡管所得到的測量值和計算結(jié)果與測量模式下得到的一樣，但此時系統(tǒng)的測量結(jié)果仍被認為無效。
   ④ 故障模式
   當故障產(chǎn)生，系統(tǒng)不能準確測量時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入該模式。在這種情況下，如果故障消除，系統(tǒng)將自動返回測量模式。
5 結(jié)論
    ① FLOWSIC600超聲波流量計與反射式聲道的超聲波流量計比較，可以避免雜質(zhì)或管壁粗糙度對計量準確度的影響，適用于地下儲氣庫含雜質(zhì)較多的供氣工況。
    ② FLOWSIC600配置的傳感器為全金屬，抗腐蝕，抗高速氣流沖擊，使用中未發(fā)生流量計損壞現(xiàn)象，適用于地下儲氣庫高壓高流速天然氣的工況。
    ③ 為超聲波流量計配套的FC2000流量計算機對流量計的故障和報警信息反應及時，保證了計量系統(tǒng)測量精度的連續(xù)性和可靠性。
參考文獻：
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(本文作者：郝長富 韓潔 天津市燃氣集團有限公司 天津 300070)