超聲波流量計(jì)在天然氣貿(mào)易結(jié)算的應(yīng)用

摘 要

摘要：分析了超聲波流量計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及和技術(shù)特點(diǎn)，論述了FLOWSIC600超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)組成、運(yùn)行模式，以及將該流量計(jì)用于大張坨地下儲氣庫的改造方案。關(guān)鍵詞：天然氣計(jì)量；天然氣
摘要：分析了超聲波流量計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及和技術(shù)特點(diǎn)，論述了FLOWSIC600超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)組成、運(yùn)行模式，以及將該流量計(jì)用于大張坨地下儲氣庫的改造方案。
關(guān)鍵詞：天然氣計(jì)量；天然氣貿(mào)易結(jié)算；超聲波流量計(jì)；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(yīng)用現(xiàn)狀
國外超聲波流量計(jì)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(jì)，至今已有逾80年歷史。由于技術(shù)不成熟，直到上世紀(jì)末，歐洲使用的流量計(jì)仍以渦輪流量計(jì)、羅茨流量計(jì)為主，如在荷蘭渦輪流量計(jì)、羅茨流量計(jì)的使用量約占流量計(jì)總量的80%。在加拿大渦輪流量計(jì)的使用量約占流量計(jì)總量的90%，而美國則以孔板流量計(jì)為主，孔板流量計(jì)約占流量計(jì)總量的80%。從整體上看，在流量計(jì)使用上，20世紀(jì)70年代形成了孔板流量計(jì)使用高潮，20世紀(jì)80年代形成了渦輪流量計(jì)使用高潮，20世紀(jì)90年代中后期則掀起了超聲波流量計(jì)熱潮[1]。
我國超聲波流量計(jì)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(jìn)氣體超聲波流量計(jì)，主要有德國Elster-Instromet集團(tuán)、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(jì)。天津燃?xì)饧瘓F(tuán)在20世紀(jì)70年代對源頭貿(mào)易計(jì)量全部使用孔板流量計(jì)；在20世紀(jì)90年代將渦輪流量計(jì)用于貿(mào)易結(jié)算，源頭計(jì)量仍以孔板流量計(jì)主；2000年開始在津沽罐站應(yīng)用超聲波流量計(jì)；目前貿(mào)易結(jié)算使用的超聲波流量計(jì)主要有Sick Maihak公司、Elster-Instromet集團(tuán)等企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)
    超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等傳統(tǒng)流量計(jì)相比，有如下特點(diǎn)：
    ① 適用于各種管徑的高精度計(jì)量。管徑最大可達(dá)1600mm，流量和管徑越大，精度越高。100～1600mm管徑的超聲波流量計(jì)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(jì)可在超小流量(按流速為0.3m/s換算)和超高流量(流速可達(dá)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(fù)性好[2]。超聲波流量計(jì)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(jì)量重復(fù)性好。
    ④ 能實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)量。超聲波流量計(jì)增加一套儲存計(jì)數(shù)裝置，就可以實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)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(jì)的葉輪、孔板流量計(jì)的孔板易受氣體雜質(zhì)的沖擊而造成損壞，影響計(jì)量精度和正常使用。而超聲波流量計(jì)基本不受雜質(zhì)影響，尤其是FLOWSIC600四聲道超聲波流量計(jì)，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(jì)的應(yīng)用
3.1 天津支路調(diào)壓計(jì)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(zé)任公司與天津市燃?xì)饧瘓F(tuán)的貿(mào)易結(jié)算點(diǎn)。它由北京華油天然氣有限責(zé)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(yīng)天然氣。該調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)始建于2003年，當(dāng)年投入使用。工藝采用兩路DN 100mm調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)，先計(jì)量后調(diào)壓，流量計(jì)選用比利時(shí)Instromet儀表公司生產(chǎn)的氣體渦輪流量計(jì)。經(jīng)過兩年的運(yùn)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(jì)量系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。①渦輪流量計(jì)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(jì)在高壓氣流沖擊下葉輪損壞，另一臺送去檢驗(yàn)，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(jì)應(yīng)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(yùn)行壓力一般為3～4MPa，用氣高峰時(shí)段達(dá)到6MPa，而天津燃?xì)饧瘓F(tuán)接氣管道設(shè)計(jì)壓力僅為0.8MPa，造成調(diào)壓器前后壓力差最高達(dá)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(shí)措施，不能長期采用。
3.2 改造方案的選定和實(shí)施步驟
3.2.1改造方案的選定
    從長遠(yuǎn)供氣需求考慮，將調(diào)壓后管道改造，運(yùn)行壓力調(diào)整為0.8～4.0MPa，運(yùn)行環(huán)境溫度為-20～40℃。考慮到渦輪流量計(jì)和孔板流量計(jì)屬接觸式計(jì)量，葉輪或孔板易受雜質(zhì)損壞，而超聲波流量計(jì)性能優(yōu)越，可以彌補(bǔ)此類缺陷，故流量計(jì)選用Sick Maihak儀表有限公司生產(chǎn)的FLOWSIC600四聲道超聲波流量計(jì)，配備FC2000流量計(jì)算機(jī)。流量計(jì)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(fù)性指標(biāo)為0.2%?？紤]到北京華油天然氣有限責(zé)任公司與天津市燃?xì)饧瘓F(tuán)的管理需要，安裝超聲波流量計(jì)信息處理系統(tǒng)和計(jì)量信息遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。
3.2.2改造方案的實(shí)施步驟
    ① 將進(jìn)站和出站閥門關(guān)閉并加盲板。
    ② 安裝現(xiàn)場流量計(jì)。根據(jù)計(jì)量裝置現(xiàn)狀，將原過濾器后變徑的管段、流量計(jì)本體、流量計(jì)專用前后管段拆除，從現(xiàn)狀過濾器法蘭后計(jì)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(jì)。
    ③ 安裝超聲波流量計(jì)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(jì)計(jì)算機(jī)通信接口上，由超聲波流量計(jì)算機(jī)完成流量補(bǔ)償、修正計(jì)算，作為供需貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。
    ④ 安裝計(jì)量信息遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。超聲波流量計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，再通過通信電纜連接到原有向天津燃?xì)饧瘓F(tuán)調(diào)度中心傳輸數(shù)據(jù)的專用RTU內(nèi)，由RTU系統(tǒng)向燃?xì)饧瘓F(tuán)調(diào)度中心發(fā)送動態(tài)運(yùn)行計(jì)量數(shù)據(jù)。
    ⑤ 供氣系統(tǒng)按規(guī)程恢復(fù)供氣，并對計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。
4 超聲波流量計(jì)系統(tǒng)組成及運(yùn)行模式
4.1 FLOWSIC600系統(tǒng)組成
   ① 流量計(jì)的表體
   流量計(jì)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(jì)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(fù)性，達(dá)到設(shè)計(jì)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(hù)換能器，使換能器在運(yùn)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(jì)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(jì)，采用全金屬設(shè)計(jì)，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(jì)來實(shí)現(xiàn)。該換能器設(shè)計(jì)促進(jìn)了換能器小型化，使流量計(jì)的結(jié)構(gòu)更緊湊；換能器接觸流體的部件采用60°安裝，實(shí)現(xiàn)傳播時(shí)間的高精度測量；流量計(jì)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(jì)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(dá)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(gè)對射式聲道，確保流量計(jì)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(shí)性，能補(bǔ)償渦流及不對稱流對計(jì)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(fù)責(zé)產(chǎn)生發(fā)射信號和接收返回信號，然后進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果。信息處理單元有不同的接口與計(jì)算機(jī)或者標(biāo)準(zhǔn)的過程控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。采用新型大規(guī)模集成電路，使聲道正、反向時(shí)差測量的準(zhǔn)確度達(dá)到納秒級，從而提高流量計(jì)量的準(zhǔn)確度。氣體超聲波流量計(jì)配置現(xiàn)場顯示表頭，一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)顯示表頭報(bào)警?？涩F(xiàn)場顯示測量參數(shù)，并能在流量計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障情況下，保存流量數(shù)據(jù)并正常計(jì)量。
4.2 運(yùn)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(yùn)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(shí)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(bǔ)償被激活時(shí)，檢測系統(tǒng)會自動補(bǔ)償。補(bǔ)償方法是通過系統(tǒng)的自檢功能允許流量計(jì)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(yīng)通道系數(shù)來計(jì)算平均局部流速，可以準(zhǔn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入該模式時(shí)，盡管所得到的測量值和計(jì)算結(jié)果與測量模式下得到的一樣，但此時(shí)系統(tǒng)的測量結(jié)果仍被認(rèn)為無效。
   ④ 故障模式
   當(dāng)故障產(chǎn)生，系統(tǒng)不能準(zhǔn)確測量時(shí)，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(jì)與反射式聲道的超聲波流量計(jì)比較，可以避免雜質(zhì)或管壁粗糙度對計(jì)量準(zhǔn)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(jì)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(jì)配套的FC2000流量計(jì)算機(jī)對流量計(jì)的故障和報(bào)警信息反應(yīng)及時(shí)，保證了計(jì)量系統(tǒng)測量精度的連續(xù)性和可靠性。
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(本文作者：郝長富 韓潔 天津市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 天津 300070)