靶式和超声波流量计在金坛盐穴天然气地下储气库的应用

靶式和超声波流量计在金坛盐穴天然气地下储气库的应用

祝秀萍  纪翔晨

1.中石化石油工程设计有限公司 257026

2. 山东科技大学  266590

摘要：本文介绍了目前天然气计量中，常用的4种流量计的工作原理和特点。在金坛盐穴储气库中，进站采用的是超声波流量计，单井双向计量采用的是靶式流量计，本文对靶式和超声波流量计的测量原理、结构特点、安装方式和误差分析进行简单介绍和进行对比，希望在以后的实际生产，起到一定的指导作用和参考价值。

关键词：双向计量；超声波流量计；靶式流量计；金坛盐穴储气库储气库

1.天然气流量计类型

根据调研、考察分析，孔板流量计、涡轮流量计、超声波流量计和靶式流量计都是成熟的天然气速度式流量计，可以适应不同的天然气计量工况。

对于孔板和涡轮流量计，它们都有一些共性的问题，如压损较大、在脉动流状态时，测量效果不理想、测量的量程范围很窄、只适用于单向测量，不适合双向测量（需要额外的管道，阀门等）、静态压力波动会引起差压流量计偏差、水和其它液体，会聚积在孔板上，造成精度偏差、水会在差压变送器的引压管中造成凝结、杂质颗粒（沙子，石头等）会破坏孔板，造成损坏及影响精度、凝析油及油性液体，会造成差压变送器的引压管堵塞，造成流量计无法正常工作、精度和可靠性不能满足要求、安装，维护和产品维修，需要停车，非常麻烦，并且费用昂贵、在高压力工况下工作，流量计本身容易损坏，并带来安全隐患等，不适合应用在储气库中。

2 靶式流量计

2.1 靶式流量计测量原理

靶式流量计是通过气体对靶杆托盘的冲击引起靶杆的弯曲形变，测量形变的电桥电信号来计量的【1】。

图1靶式流量计结构图

E=K（式1）

其中（式2）

式中  F —靶板上受的力N；   CD —阻尼系数；       ρ—流体密度kg/m3；

     V—流体流速m/s；      A—靶板受力面积m2：   K—比例常数

E—桥路输出信号2.0mV/V(FS) 【2】

在金坛盐穴天然气地下储气库项目中使用的是管道式安装，因为储气库分为采气、注气两个流程，此次靶式流量计使用的是双向，简化了工艺流程，也节省了成本，前、后直管段皆为10D。

2.2温压补偿

靶式流量计在出厂时是按设计院提供的操作压力、温度、管径、量程范围等参数进行标定出厂的，并已修正为Nm3/h输出。但是，在实际工艺操作过程中，压力和温度随时随刻都在变化(实时值），这样就造成靶式流量计输出产生偏差，为了消除由于操作压力和操作温度偏离标定值带来的误差，因此，必须对测量气体的靶式流量计进行温度-压力补偿，使输出能反映流量的真实值。一般在DCS系统上即可完成温-压补偿，如下式：

V =（式3）

其中：

V┄经温度-压力补偿后的真实流量值（单位Nm3/h）

┄靶式流量计输出流量值（Nm3/h）

┄靶式流量计出厂标定点压力〔+0.1013MPa〕

┄靶式流量计出厂标定点温度(+273.15K)

┄靶式流量计出厂标定点密度( kg/Nm3/h)

┄介质实测压力（绝压）（由压力变送器来4~20mA信号）

T┄介质实测温度（K）(由温度变送器来4~20mA信号)

┄实测介质密度

3 超声波流量计

3.1 超声流量计测量原理

通过脉冲传播的时间差得出气体流量，通过计算得出气体平均轴向流速和气体流量。    

图2超声原理图

（式4）

（式5）

（式6）

（式7）

式中：L—声道长度；c—声速；v—平均速度；φ——声道倾角；

tAB和tBA——超声波顺流、逆流传播时间。

表明气体流速的测量与气体的特性例如压力、温度和气体组分无关。

对于多声道流量计，每一声道的流速测量值均由一个数学函数组合，平均流速估算值，n为声道的个数。

（式8）

平均流速v乘以测量管段的横截面积A，即可取得体积流量qV

（式9）

（式10）

3.2温压补偿

气体超声流量计表体配套高端智能型一体式流量计算机，可实现超声波信号发射和接收控制、信号波形处理、声时采集、流量计算、仪表参数设置、以及温度和压力补偿运算、流量和故障诊断信息存储等功能，并可直接接收组分分析仪的信息，转换器输出标准4～20mA模拟信号、代表瞬时流量的频率信号、以及RS232/RS485数字信号(支持MODBUS协议)。独特的显示功能可现场显示：标准状况或工况累计流量、瞬时流量、温度和压力测量值。

4 两种流量计的实际应用

4.1超声波流量计

项目投产初期，超声波流量计的信号故障，在流量计算机和PCS系统里都无信号显示，拆开换能器，发现全部的通道被打断,查找问题后发现，管道内杂质太多，造成了换能器的损坏，只能返厂维修。

运行一段时间后，发现气体通过过滤后，大的颗粒已被过滤，但是有些固体颗粒物粘附在管壁上，测量精度会因受管壁截面变化影响而产生一定的偏差。同时，小的固体颗粒（黏度大）附着在探头上，结合流量计的自诊断情况，当信噪比下降报警时，需要拆卸清洗探头。

4.2靶式波流量计

正常注气时，误差基本在5-9%左右。初步判定为计量故障，经现场清零操作也无法恢复正常。经过现场拆卸后，发现两路靶式流量计靶杆根部出现被打歪现象，经分析，可能采气时，靶式流量计已经处于疲劳状态或者已经有损伤，由于采气时气量波动过大、前后压差过大引起靶杆被打歪，另一路是由于管道中有塑料挡板卡在靶杆处，在采气时气量波动与前后压差过大引起靶杆根部打歪。再次注气时，导致靶杆又被打歪。

更换不同类型的靶杆后（将靶杆下部的托盘减小，减小气体对靶杆的冲击），并在靶杆上加装了防止垂直震动护板，再次进行大流量采气或注气，经过12次的注采气周期，运行正常。

5.结论

根据在金坛盐穴储气库的应用情况看，选择双向计量的流量计，有很高的性价比，不但满足了工艺要求，而且降低工程投资及运行费用， 金坛盐穴储气库为盐穴储气库，采出井流物不含油，少量含水，储气库注入垫底气后，随着注采周期增加，采出天然气含水量越来越低，即使在储气库投产初期天然气少量带水的情况下，也不至于对流量计造成损坏。在以后的应用中，可以扬长避短，提高设备在实际生产中的作用。

参考文献

[1] 李明东，李世武，工业仪表与自动化装置，新型靶式流量计的设计与研究，2014

[2] 解海艇，黄富贵，王焕玲，自动化仪表  靶式流量计动态标定装置设计方案的探讨，2014

[3] 王丽飞，徐春亮，孙振华，油气田地面工程，智能旋启靶式流量计用于单井计量，2014

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