多聲道超聲波流量計(jì)在“中-土”天然氣項(xiàng)目貿(mào)易計(jì)量中的應(yīng)用

摘 要

摘要：隨著中國(guó)-中亞天然氣管道投產(chǎn)輸氣，在中國(guó)-土庫(kù)曼斯坦天然氣項(xiàng)目貿(mào)易計(jì)量交接中首次應(yīng)用了多聲道氣體超聲波流量計(jì)。為此，詳細(xì)介紹了德國(guó)RMG公司生產(chǎn)的多聲道超聲波流量計(jì)
摘要：隨著中國(guó)-中亞天然氣管道投產(chǎn)輸氣，在中國(guó)-土庫(kù)曼斯坦天然氣項(xiàng)目貿(mào)易計(jì)量交接中首次應(yīng)用了多聲道氣體超聲波流量計(jì)。為此，詳細(xì)介紹了德國(guó)RMG公司生產(chǎn)的多聲道超聲波流量計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和校準(zhǔn)情況?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，該流量計(jì)具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、抗干擾性強(qiáng)、無壓損、超載安全、可進(jìn)行雙向測(cè)量和測(cè)量的影響因素少等特點(diǎn)，應(yīng)用在高壓、大流量的天然氣計(jì)量中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。多聲道氣體超聲波流量計(jì)完全適用于國(guó)際天然氣貿(mào)易計(jì)量交接，有效地提高了國(guó)際天然氣計(jì)量技術(shù)水平，避免了國(guó)際貿(mào)易計(jì)量的糾紛，為中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在中亞地區(qū)天然氣項(xiàng)目的貿(mào)易計(jì)量提供了一個(gè)典型的成功案例。
關(guān)鍵詞：天然氣；多聲道；超聲波流量計(jì)；貿(mào)易計(jì)量；AGA 9；ISO 17025；中國(guó)；土庫(kù)曼斯坦
    土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸天然氣勘探開發(fā)項(xiàng)目是中國(guó)和土庫(kù)曼斯坦兩國(guó)在能源領(lǐng)域合作的重大項(xiàng)目，也是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司(下稱中石油)迄今為止最大規(guī)模的境外天然氣勘探開發(fā)合作項(xiàng)目。阿姆河右岸區(qū)塊位于土庫(kù)曼斯坦東部，面積約1.43×104km2，合同區(qū)分為A、B兩個(gè)區(qū)塊，合同期限為35a。該項(xiàng)目所生產(chǎn)的天然氣是中國(guó)西氣東輸二線的主供氣源，中國(guó)石油(土庫(kù)曼斯坦)阿姆河天然氣公司(以下簡(jiǎn)稱阿姆河公司)于2009年底在A區(qū)塊建成第一天然氣處理廠并一次投產(chǎn)成功，通過中亞天然氣管道將天然氣輸向中國(guó)。
    阿姆河公司外輸增壓計(jì)量站設(shè)計(jì)規(guī)模為130×108m3/a，其功能是將天然氣處理廠來的凈化天然氣進(jìn)行過濾分離、增壓及貿(mào)易計(jì)量，然后輸送至中亞天然氣管道。鑒于國(guó)際貿(mào)易計(jì)量需要準(zhǔn)確無誤、安全穩(wěn)定[1～2]，因此采用了計(jì)量精度為±0.25%的德國(guó)RMG公司六聲道USZ08型氣體超聲波流量計(jì)用于貿(mào)易計(jì)量。
1 多聲道超聲波流量計(jì)工作原理及特點(diǎn)
1.1 工作原理
RMG公司六聲道氣體超聲波流量計(jì)的工作原理是根據(jù)超聲波脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差來測(cè)量氣體流速，進(jìn)而計(jì)算工況下的氣體流量，詳見圖1。
 

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    RMG公司六聲道超聲波流量計(jì)由測(cè)量元件(12個(gè)傳感器)、電子測(cè)量系統(tǒng)、殼體以及流量計(jì)算機(jī)等組成。每個(gè)傳感器都由一個(gè)壓電晶體安裝在鈦金屬外殼中組成，傳感器直接與殼體用法蘭聯(lián)接并且沒有伸到管道里，各聲道按流量計(jì)中心對(duì)稱排列，所以可以用于雙向計(jì)量而不必修改或重新編程。每一個(gè)傳感器既是一個(gè)發(fā)射器同時(shí)也是一個(gè)接收器，也就是說，經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)量，發(fā)射器就變成接收器，反之亦然，這樣，就消除了氣體類型、壓力和溫度對(duì)聲速的影響。為了消除氣體流型的影響，一共使用了在3個(gè)平行平面的6個(gè)聲道來進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)平行平面上，有2個(gè)聲道相互交叉(圖2)。聲道是根據(jù)高斯-切比雪夫(Gauss-Chebyshev)理論進(jìn)行排列，所以甚至在不對(duì)稱、渦流的情況下也可以保證對(duì)流速的最佳測(cè)量。
 

    直接安裝在流量計(jì)殼體上的電子測(cè)量系統(tǒng)用來控制傳感器、評(píng)估測(cè)量結(jié)果和為每個(gè)聲道計(jì)算流速，并與安裝在控制柜中的流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。在流量計(jì)算機(jī)上可以對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行操作，以控制測(cè)量、計(jì)算流量和讀取數(shù)據(jù)等。
1.3 性能特點(diǎn)
    超聲波流量計(jì)在國(guó)內(nèi)天然氣計(jì)量中已經(jīng)得到了應(yīng)用，并取得了很好的效果[3]。RMG六聲道超聲波流量計(jì)是能夠滿足精確測(cè)量和安全穩(wěn)定測(cè)量的先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，符合AGA 9[4]等超聲波流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其性能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)包括：
    1) 與三、四聲道流量計(jì)相比，以特別方式排列的六聲道超聲波流量計(jì)有以下的決定性優(yōu)點(diǎn)：①抗干擾性。根據(jù)高斯-切比雪夫(Gauss-Chebyshev)理論排列聲道，并且聲道相互交叉，使流量計(jì)很大程度上不受氣體流型的影響。因此，可以不需要整流器甚至在氣體流動(dòng)受到渦流、不對(duì)稱等干擾的情況下也可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。②冗余性。如果其中任何一個(gè)或兩個(gè)聲道失效，六聲道流量計(jì)將不會(huì)失去計(jì)量能力，失效的聲道可以通過重新復(fù)值來得到恢復(fù)。
    2) 由于傳感器以100kHz的頻率運(yùn)行，這就使得流量計(jì)能夠?qū)α魉俑哌_(dá)40m/s的氣體進(jìn)行測(cè)量，所以RMG六聲道超聲波流量計(jì)可以應(yīng)用到流速非常高的計(jì)量站。
    3) RMG六聲道USZ08型氣體超聲波流量計(jì)的精度為±0.25%，滿足交接計(jì)量要求。其本身基本的聲道幾何排列、六聲道技術(shù)和高聲波頻率等特性，使得氣體超聲波流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。
    4) 幾乎沒有壓力損失，只要管道的橫截面內(nèi)部沒有安裝元器件，那么實(shí)際上就沒有壓力損失。
    5) 超載安全，因?yàn)闅怏w流量計(jì)沒有敏感元器件。
    6) 可以實(shí)現(xiàn)雙向測(cè)量，流量計(jì)自動(dòng)檢測(cè)氣體流向，可以在兩個(gè)方向上測(cè)量而且分別累計(jì)計(jì)量。
    7) 對(duì)污物不敏感，因?yàn)闇y(cè)量不需要聲波反射，在管壁上堆積的污物對(duì)超聲波脈沖不起作用，并且鈦金屬傳感器表面是防污垢的，這樣就減弱了污物等因素[5]對(duì)流量計(jì)造成的影響。
    8) 不受壓力變化約束，因?yàn)闅怏w流速是直接測(cè)量且測(cè)量不需要靠流體機(jī)械力作用來完成。
2 多聲道超聲波流量計(jì)校準(zhǔn)
    根據(jù)規(guī)定，流量計(jì)在出廠或使用之前，必須對(duì)其計(jì)量性能進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和使用的準(zhǔn)確度。阿姆河天然氣公司購(gòu)置的2臺(tái)多聲道超聲波流量計(jì)在出廠前送至荷蘭國(guó)家計(jì)量研究院(NMi)下屬Gasunie管道公司的Westerbork標(biāo)定站，利用其高壓檢測(cè)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。Westerbork高壓檢測(cè)裝置是世界上具有最高流量的裝置之一，在6.2MPa的壓力條件下最大流量為2.8×104m3/h，并按ISO 17025[6]標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)認(rèn)可。該裝置歸屬于Gasunie管道公司所有，校準(zhǔn)時(shí)由NMi監(jiān)督，并出具NMi的證書。
    Westerbork高壓檢測(cè)裝置的指標(biāo)參數(shù)完全符合這2臺(tái)多聲道超聲波流量計(jì)校準(zhǔn)的需求，標(biāo)準(zhǔn)表量值溯源有效、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件符合要求[7]。所用標(biāo)準(zhǔn)方法為標(biāo)準(zhǔn)表法，計(jì)算過程及數(shù)據(jù)處理符合ISO標(biāo)準(zhǔn)要求，參數(shù)調(diào)整與校準(zhǔn)處理結(jié)果吻合，校準(zhǔn)結(jié)果和修正結(jié)果可靠，參數(shù)修改完成后對(duì)儀表進(jìn)行鉛封。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
阿姆河天然氣公司外輸增壓計(jì)量站2臺(tái)多聲道超聲波流量計(jì)于2009年12月正式投用，如圖3所示，供氣壓力約6MPa，流量約為39×104m3/h(標(biāo)態(tài))?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明：RMG六聲道USZ08型氣體超聲波流量計(jì)工作性能安全、穩(wěn)定、可靠，能適應(yīng)在投產(chǎn)輸氣前期壓力、流量具有一定波動(dòng)幅度的工況條件，保障了貿(mào)易氣量的準(zhǔn)確計(jì)量，中土雙方對(duì)流量計(jì)的工作情況都較滿意。
 

4 結(jié)論
    多聲道氣體超聲波流量計(jì)由于具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、抗干擾性強(qiáng)、無壓損、超載安全、雙向測(cè)量、測(cè)量的影響因素少等優(yōu)點(diǎn)，完全適用于國(guó)際天然氣貿(mào)易計(jì)量，有效地提高了國(guó)際天然氣計(jì)量技術(shù)水平，保證了天然氣計(jì)量準(zhǔn)確可靠和公平公正，避免了國(guó)際貿(mào)易計(jì)量的糾紛，為中石油在中亞地區(qū)天然氣項(xiàng)目采用多聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量提供一個(gè)典型的成功案例。
參考文獻(xiàn)
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[2] 鄧傳忠，鄭永建，李偉.流量計(jì)量準(zhǔn)確性對(duì)海上氣田生產(chǎn)管理的影響[J].天然氣工業(yè)，2008，28(7)：99-102.
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(本文作者：王敬章1，2 劉廷富2 聶靖霜3 劉清友1 1.西南石油大學(xué)；2.中國(guó)石油(土庫(kù)曼斯坦)阿姆河天然氣公司；3.重慶市工業(yè)學(xué)校)