隨著天然氣工業的發展, 天然氣貿易量與日俱增, 經濟全球化的推進, 我國天然氣貿易交接計量越來越多, 天然氣計量的準確可靠性愈來愈受到關注, 已關系到國計民生。天然氣易燃、易爆、可壓縮、組分復雜等特性, 導致天然氣計量成為全球計量學領域中的難點, 為了提高天然氣計量準確性, 確保計量準確可靠, 按照《計量法》要求需定期對天然氣流量計進行檢定和校準[1-2], 確保流量計的準確可靠。

按照流量計檢定規程[3-4]的要求, 現場在用的流量計檢定周期一般為2年, 由于流量計使用條件較為復雜, 影響流量計的因素多, 在檢定周期內流量計的性能可能會發生變化, 影響買賣雙方貿易計量的公平, 所以需要定期對檢定周期內的流量計進行在線核查, 確認流量計工作性能及準確度, 目前主要核查方式有超聲流量計的使用中檢驗和流量計比對。

隨著超聲流量計計量技術的不斷發展, 目前在用超聲流量計的廠家均配備使用中檢驗的配套軟件, 按照標準GB/T 30500—2014《氣體超聲流量計使用中檢驗聲速檢驗法》[5]對超聲流量計的聲速、信號質量、增益、信噪比、流速系數5個參數進行診斷, 通過這些參數的監測, 可分析流量計的性能, 確認流量計的工作狀態。這些參數的組合可作為形成專用監測系統的基礎。有關自診斷信息分析方法的示例如表1所示。

流量計的使用中檢驗可分析流量計的工作狀態, 確保在用流量計的性能正常, 但是, 流量計的各項分析參數正常并不能確認計量的準確度一定好, 僅能作為一種輔助手段進行參考, 同時由于渦輪流量計是機械原件, 無法對渦輪流量計進行診斷, 進而判斷渦輪流量計的性能。

流量計比對是選用2臺流量計串聯安裝或者通過流程切換使2臺流量計串聯的方式進行測試, 比較2臺流量計相同時間段內的累計流量值, 進而分析流量計的計量性能, 如圖1所示。

通過定期比較2臺流量計流量偏差, 確保在檢定周期內流量計的偏差在檢定規程允許的范圍內, 該種方法可使用所有類型流量計, 較使用中檢驗可更直接反映流量計計量的準確性。

流量計在線比對較使用中檢驗有較大的優勢, 但是受現場流程條件限制, 實施起來難度較大。流量計對上下游直管段要求較為嚴格, 由于大多數場站的設計局限, 現場無法再串聯安裝1臺流量計, 同時反復的拆裝也會影響現場實際生產供氣, 需要投入大量的人力物力, 為了解決這一技術難題, 可通過以下技術路線進行流量計比對。

通過不同類型流量計的性能分析, 可選用一臺便于安裝, 不需要拆裝直管段的外夾式超聲流量計作為比對參考流量計, 如圖2所示。

外夾式超聲流量計是一種將換能器固定在流體管道外, 聲波傳播的路徑透過流體管道壁的流量計, 具有以下技術特點: (1) 安裝便捷且成本低; (2) 獨立測量, 不依賴流體的傳導性和壓力; (3) 無壓損, 無泄漏; (4) 可對現有設備回顧安裝; (5) 無需切斷管道, 不用中斷生產, 不用停止設備; (6) 不與介質接觸; (7) 準確度較低, 長期穩定性較差, 受安裝條件影響大。

外夾式超聲流量計較適合現場工藝條件, 但是準確度和穩定性較差, 外夾式流量計的測量值無法作為參考值, 但可利用外夾式流量計短期穩定性較好進行流量計之間比對。現場計量工藝流程如圖3所示, 由多條計量支路并聯組成計量橇, 但各計量支路無法通過流程切換實現串聯安裝, 可通過在計量橇上游選一直管段安裝外夾式流量計, 通過每條支路與外夾式流量計的偏差, 計算各計量支路之間的偏差。

式中:E1為計量支路1與外夾式流量計的偏差;Q1為計量支路1的流量值;Qwai為外夾式流量計的流量值。

式中:E2為計量支路2與外夾式流量計的偏差;Q2為計量支路2的流量值。

式中:E3為計量支路2與計量支路1的偏差。

同理可得出其他支路之間的偏差值。

(1) 流量計檢定完成現場安裝后錄取第1次數據, 次數據作為參考值, 每隔一段時間做一下測試, 測試結果與第1次測試結果進行比對, 分析流量計計量的穩定性的變化, 確認流量計的計量性能, 確保貿易計量交接的準確可靠。

(2) 第1次的測試結果, 需要對2臺流量計測試結果的偏差與合成不確定度進行比較, 分析流量計的準確度。

可實現實時采集2臺流量計及配套溫度、壓力儀表信號, 并進行流量、溫度和壓力補償計算, 存儲數據, 生成報告等功能。

主要設備應包括:數據采集計算機、MPU、輸入模塊、脈沖/頻率信號采集卡、計時模塊、通信模塊、脈沖信號隔離放大器、浪涌保護器等組成。

天然氣工作條件下的壓縮因子使用AGA Report No.8[6]規定的方法計算, 數據采集軟件內自帶壓縮因子計算模塊, 可手動輸入溫度、壓力和組分獲取壓縮因子計算結果用于驗證數據采集模塊計算結果的可靠性。

渦輪流量計瞬時流量計算使用GB/T 21391[7]或ISO 9951[8]規定的方法計算, 修正因子 (誤差) 和流量關系式使用多點插值修正方法。

超聲流量計瞬時流量計算使用GB/T 18604[9]或AGA No.9[10]或ISO 17089[11]規定的方法計算, 修正因子 (誤差) 和流量關系式使用多點插值修正方法。

脈沖/頻率、溫度、壓力信號的采集均采用累積量, 采取相同時間段內的累計流量值, 避免由于瞬時值波動引入較大的誤差。

以某管道公司貿易計量交接站為例進行實際應用分析, 該站計量橇選用3條DN200的計量支路, 流量計信息如表2所示, 比對流量計選用外夾式超聲流量計, 安裝于DN200的直管段。

按照上文所說方法進行測試, 測試流量點為1 500m3/h, 按照式 (1) ~式 (3) 進行計算, 測試結果如表3所示。

通過測試結果可分析:

(1) 3臺流量計檢定完成后首次比對結果符合規范要求, 流量計安裝完成后性能良好。

(2) 3臺流量計在檢定周期內相互之間偏差的變化值均小于0.7%, 符合標準要求, 證明3臺流量計的穩定性能較好。

(1) 在對貿易計量交接站設計時, 可增加計量橇的對比流程, 實現定期對在用貿易計量流量計進行實流在線比對, 確保流量計計量性能良好[12-13]。

(2) 在不具備在線實流比對工藝流程的場站可選用外夾式超聲流量計作為傳遞值對計量橇各支路進行比對, 確認流量計的計量性能。

(3) 對于超聲流量計需要定期進行使用中檢驗, 對于性能參數異常的流量計需要及時處理, 必要時重新送檢, 確保現場計量結果的準確可靠。

(4) 利用外夾式超聲流量計進行比對的方法可用于各管道公司計量輸差的查找及控制, 提高計量管理水平, 維護公司利益。