西门子外夹式气体超声波流量计在普光气田的应用

普光气田是迄今为止国内发现的规模最大的特大型整装海相酸性气田，作为普光气田开发的大型配套工程，净化厂年处理酸气能力120亿立方米，年产净化气90亿立方米。净化厂联合装置的原料气和产品气计量采用了均速管流量计，为保证计量准确性，应定期对其进行检测。由于均速管流量计是一种插入式流量计，拆表外送检验，从技术上和实际操作上难度很大，从而难以进行周期检定。为解决这一问题，近年来，中原油田分公司技术监测中心采用1010GCN外夹式气体超声波流量计（以下简称超声波流量计）对普光气田净化厂联合装置的均速管流量计进行了比对测试，取得了较为满意的结果。

一、超声波流量计原理

超声波流量计采用数字式多脉冲 MultiPulse ™时差技术。每声道的两个宽束超声波换能器，互为发射和接收换能器。超声波首先由发射换能器发出，穿过管壁和介质，经对面管壁反射后再次穿过介质和管壁被接收换能器接收，完成发射和接收的过程。1010GCN利用高精度和超稳定的数字相位检测回路来测量每一方向（顺流和逆流）的声波到达时间。通过这种检测方法，1010GCN 气体流量计能够分辨�100ps内的相关联声波的传输时间差。利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流速，根据管道截面积计算出流体工况下体积流量。

由于气体的可压缩性，所以通常使用标准体积单位来表示体积流量。这就需要1010GCN流量计对工况体积动态补偿，转换为标准状态下的体积。因此，流量计需要输入工况操作温度和压力流量计，可以通过输入气体压缩因子或是通过内置表格使用动态AGA8号报告补偿来修正标准体积。

二、现场比对测试操作

1010GCN外夹式气体超声波流量计，体积小，功能齐全，操作简便，测量精度1.0％，其多组换能器适用大多数金属管，适用管径范围为50—700 mm，管壁厚度为2.0—31.8 mm，被测介质压力不低于0.7MPa。为了降低在线检测比对的误差，应精心操作，遵循以下操作步骤，尽量减少人为因素造成的测量误差。

（一）测量点的选择与管道参数的测量

正确选择测量点，准确地测量管道参数，是减少附加比对测试误差的前提条件。为此必须做到以下两点：一是测量点应选择在管道上游10倍以上、下游5倍以上管径长度的直管段上，测量点处应无焊缝、无振动及无电磁干扰源等；二是由被测单位提供测试管道设计参数，现场用卡尺或钢卷尺和超声波测厚仪对管道外径及壁厚进行复核，为减小误差，管道外径及壁厚应进行多点测量后取其平均值。

（二）安装换能器

将管道外经、壁厚和管道材质数据输入流量计主机。主机根据输入的管道参数，推荐出所安装换能器的型号、安装方式和安装间距。气体超声波流量计与液体超声波流量计相比，测量信号更容易受到噪音信号干扰，如果信噪比在10:1以下，就无法准确测量。因此在将换能器固定在管道上前，为减小管道噪音信号对测量结果的影响，应在管道外壁粘贴CC129A型气体耦合剂薄膜，贴时应尽量减少气泡的产生，如产生气泡应将气泡弄破，释放出气体。

（三）气体参数的设置

由净化厂提供气体的组分、比热率、粘度和被测点气体的温度、压力等可靠数据。组份用于计算气体压缩因子，比热率用于计算气体的平均比重，粘度用于进行流态补偿计算。1010GCN流量计可以通过输入固定的压缩因子或是通过内置表格使用动态AGA8号报告补偿来修正标准体积。现场温度、压力如果变化不大时，可以输入固定值，如果变化较大，1010GCN流量计提供了4个模拟信号输入通道，可以对温度、压力模拟信号定义后，实时采集温度、压力信号，将工况条件下的体积流量转换成标准状态条件（P=101.325kPa，t=20℃）下的体积流量。

（四） 在线测试数据比对

所有参数设置安装完成后就可以进行流量测量。为便于现场测试数据和中控室DCS系统的流量数据进行在线比对，将超声波流量计主机时钟按照中控室DCS系统时钟进行校准，由流量计主机自动记录测试时间和测试结果。

我们选用的1010GCN外夹式气体超声波流量计经过了国家石油天然气大流量计量站南京分站的实流检定，准确度等级达到了1.0级。为进一步验证其现场检测精度，我们首先在普光分公司外输天然气计量撬管线上进行了测试，与外输超声波流量计进行了比对，数据见表1。

表1： 净化厂外输计量撬流量比对测试数

从表中数据可以看出，两次测量的相对误差均未超出�1.0%的范围，说明选用的1010GCN外夹式气体超声波流量计精度符合现场测试要求。利用该流量计先后对净化厂的六套联合装置的原料气和产品气共18个流量测量点的均速管流量计进行了在线比对测试，数据见表2。

表2： 净化厂联合装置均速管流量计比对测试数据

对表2测试结果进行分析，18台均速管流量计中误差最大的是六联合一列的原料气，相对误差为-51.22%；误差最小的是三联合一列原料气，相对误差为0.27%，有15台均速管流量计误差超过了�3.0%，说明该种流量计在长时间运行后其计量精度降低，不适用普光气田净化厂天然气流量计量。

三、结论

利用1010GCN外夹式气体超声波流量计对普光气田净化厂联合装置流量计量系统进行在线比对测试，可以给出每台均速管流量计的修正系数，满足了生产计量的需要。为进一步提高1010GCN的在线测量精度，在使用中需要注意以下几点：

①不同型号的1010GCN换能器所适用的管道外径、壁厚和被测介质最低压力等数据是不同的，要确保提供的参数在其适用范围内；另外，管道外径与壁厚比为15：1或更大时性能最佳，小到5：1时测量效果会变差。

②测试中现场提供的温度、压力数据在测量过程中是否稳定，影响到最终的测量精度。根据气体状态方程可以估算出，温度相差1℃，流量测量结果会相差0.3%左右，压力相差0.1 MPa，流量测量结果会相差1.3%左右。

③信噪比大小对测量结果有较大影响，如果信噪比在10:1以下，就无法得到准确测量数据。本次测量现场主要有两种测试环境：一是碳钢管线中脱水后的净化天然气，二是不锈钢管线中含H2S和CO2浓度较高的酸性原料气。在这两种现场测量环境中，碳钢管线净化天然气信噪比可以达到35:1以上，现场最好测量；另外一种测试环境现场信噪比较低。为抑制管道中噪音信号，提高信噪比，需要在测量管道外壁粘贴CC129A型气体耦合剂薄膜。

④ 换能器的安装条件及安装精度影响最终的测量结果。安装换能器时，管道外表面应去除保温层、去漆，锈迹应砂平，涂匀耦合剂，不能有空隙，否则声波会在固、气界面上发生折射，无法传到被测流体。为确保流体所需的流速分布，换能器前后要有足够长的直管段。一般情况下要求前直管段10D以上，后直管段5D以上，而且上游30D内不能安装有泵、阀等扰动设备。换能器安装时应避开管道的焊缝及连接处，安装在倾斜和水平管道上时，不要安装在上部或底部，应安装在管道截面九点至十点方位，正确贴住管壁使超声波传播途径通过管道中心。