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天然气使用超声波期间产生的误差和原因有哪些

2021-09-08

 

20世纪90年代在天然气流量计中使用以来,超声流量计在欧美等发达国家得到了广泛的应用。近年来,欧美等著名实验室研究了其计量性能的影响因素,并开始制定或修订相关标准。

21世纪初,中国在天然气流量计量领域引进了超声波流量计。随着中国天然气工业的发展,数百台超声波流量计已应用于高压大流量天然气贸易计量。尽管超声波流量计在高电压、大流量的天然气流量计量方面有着其他流量计所无法比拟的优势,但由于实际应用条件与实验室条件有很大的差别。因此,在保证其计量性能时,仍需注意以下几个方面:由于噪声、污垢等原因,导致超声流量计的计量精度降低,甚至不能正常工作;同时,由于温度和压力计也是超声流量计计量系统的一部分,所以温度和压力的测量精度会直接影响到测量系统的精度。

 

影响测量系统性能的现场因素:

一、噪音。

管道系统中的阀门、整流器、各类阻流管部件等的存在总是会产生一定的噪声,但是,由于现场工作条件的变化(如流量、压力、温度),以及各种噪声发生器流动调整器、压力调节阀等的不同类型,都使确定噪声量比较困难。总体而言,产生噪声的来源主要是:

1.高速气流通过管道;

2.插入探头;

3.整流器;

4.压力或流量调节阀等。

 

由超声流量计的工作原理可知,若噪声频率与超声波流量计工作频率范围一致,就会干扰超声脉冲的检测,影响传输时间的准确测量,最终造成体积流量测量不准确。超声波流量计对降压元件产生的噪声特别敏感,一些低噪声阀对超声波流量计的影响大于调压阀。这是因为采用低噪声技术的阀门主要针对人耳能听到的噪声范围,与影响超声波噪声比的谱范围不完全一致。国外气流实验室开展的各种噪声仪(如整流器、调压阀等)对超声流量计性能的定量实验研究表明,噪声(如整流器产生的噪声)对某些类型的超声流量计的精度和稳定性有很大的影响,其测量误差可达2%,一般而言,超声流量计上游噪声元件的影响大于下游噪声元件。修订后的2004AGANo.9还特别提出了压力调节阀安装位置过近、压差过大引起的噪声对超声测量性能的影响及注意事项。

 

二、污垢堆积。

在超声波流量计和超声波探头中,含水、硫化铁粉或其他脏气体流经超声波流量计时,逐渐积聚在流量计的管内和超声波探头上,对超声波流量计的精度产生影响,其影响主要有以下3个方面:

1.减少流量计表体的有效内径,使流量计读数偏高。

2.污物在超声探头表面堆积使传输时间缩短,计流器读数偏高;但若流量计内壁有较大腐蚀,清洗后流量计的内径会增大。因为流量与流量计内径的平方成正比,所以流量计测量出来的流量将较小,导致流量计的读数较低。

3.由于体壁面及上游直管段表面粗糙度的变化,导致流速分布发生变化,从而影响了流量计的准确性和稳定性。各生产厂家超声波流量计的声道布置不同,对积垢影响的敏感性也不同。试验表明,脏污积聚对超声流量计径径较大的超声流量计有较大影响。

3.温度、压力的测量准确性。

 

超声波流量计计量系统通常由流量计、压力变送器、温度变送器(或温度铂电阻)、流量计算机和在线组分分析仪组成,它通过输入元件、压力、温度等参数,将流量计的工作流量转换为标准参考条件下的体积压力和温度直接影响计量系统的精度。超声流量计计量系统中,现场使用的温压测量仪表均经实验室检验合格,但仍有温度或压力示值不准确的情况发生。通过对超声波流量计计量系统的天然气实流场检测,发现在标准参考条件下,由于压力和温度测量的不准确,给体积量带来的误差高达土壤0.5%。国外一些流体实验室的研究也表明,压力变送器虽然能在铭牌所示的工作温度范围内正常工作,但当外界温度较高时(即,压力变送器暴露在阳光下,此时变送器的工作温度与实验室校准温度有较大差异)其压力测量值与实验室校准温度差异较大。所以,要保证超声波流量计计量系统的精度,就必须保证压力、测温仪表的准确、可靠。

 

采取措施减少现场影响:

一、.减少噪音影响:

1.为了最大限度地减少噪声对超声波流量计计量精度和可靠性的影响,在设计计量管道系统时,应综合评估管道系统中各个阻流件产生的噪声,比较特殊的管道系统,设计时可向流量计制造商咨询。

2.当超声波流量计与调节阀(如调压阀)串联安装时,应咨询生产厂家,评估调节阀产生的噪声,了解流量计对噪声的敏感性。一般来说,如果在超声波流量计上游安装调节阀,为了减少调节阀对流量计计量准确性和可靠性的影响,通常需要较长的上游直管段,非常不经济。与此同时,如果调节阀的噪声水平很高,往往会导致流量计无法正常工作。所以超声流量计不适合安装在调节阀的下游。

3.有些流量控制阀和调压阀在大压差、高流速的条件下,会产生达到超声频段的噪声,某些静音调压阀的工作频率也达到超声频率范围,这些都可能使流量计无法正常工作。因为这样的噪音可以向上传播,也可以传到下游。所以,即使在下游安装调节阀,也要考虑噪声对流量计计量性能的影响。此种情况下,可以采用干扰噪声传播通道的方式达到降噪的目的,即:在流量计与调节阀之间可以安装弯头、三通或安装消声器。

 

二、减少内部污物的堆积:

1.加强对天然气气质的监测,合理确定直管段及流量计的清洗周期。当超声流量计清洗后,如果发现内壁腐蚀比较明显,则应重新校正。由于流量计内壁有较大的锈蚀,经过清洗后,流量计的内径就会变大。此外,由于流量与内径的平方成正比,所以流量计测量出来的流量要小于实际流量计的流量,造成流量计的测量误差偏负。为此,建议再进行一次校准。

2.目前各超声波流量计厂家都研制了监测现场超声波流量计性能的专用软件。实践中应充分利用这些软件,了解超声波流量计的工作状态,根据有关参数判断流量计是否正常工作以及可能出现的问题等。举例来说:如果超声波流量计内壁脏物积聚严重,其声道接收速率、增益等参数可能超出厂家规定的合理范围。此时,可以根据气质监测情况进行综合分析,最后判断出原因。

3.在气密性较差的情况下,对于并行计量多台超声流量计的管道系统,可以选用少量的大口径超声流量计,以减少整体测量不确定度。

 

三、保证精确的压力和温度测量:

1.选择合适的测量范围,避免仪器的实际工作范围在量程的10%以内,造成测量误差在仪器的扩展误差限之内。

2.在投运计量系统之前,应在现场核实测压值和温度。例如,用手操作人员核对流量计算机内的压力变送器和温度变送器示值误差是否符合精度要求。一些采用温度铂电阻作为测温仪表的计量系统,其流量计算机具有温度标定功能,可以用标准电阻输入标准电阻进行温度标定。

3.在室外工作的变送器应设置遮阳棚,以免环境温度接近其设计工作温度的上限,造成较大的测量误差。