天然气超声流量计量系统常见误差因素及对策解析

天然气超声流量计量系统常见误差因素及对策解析

周秀玉

通辽市市场检验检测中心      内蒙古通辽市       028000

摘要：本文以气体超声波流量计为研究对象，根据气体超声波流量计在基准工况下的容积流量计算公式及超声波流量计计量机理，研究计量仪器、计量工艺参数、气体成分等参数对其计量效果的影响，并根据油田生产实践，探讨造成计量误差的原因及相应的处理措施。

关键词：超声流量计；计量系统；工艺参数；误差因素分析

超声波流量计是目前在天然气行业中使用最多的一种流量计量设备，它具有精度高，故障少，维修方便等特点，深受广大客户的欢迎。超声流量计量装置是一种包含超声波流量计、压力变送器、温度变送器和流量计算仪等仪器组成的一套测试系统，当流量超出某一界限时，还需要配置一台在线色谱分析仪。流量计算器通过采集现场流量、温度和压力等工况参数，并与燃气成分相结合，对标况下的流量进行实时的计算，其精度将会对测试的精度产生重要的影响。在进行燃气超声波流量测量时，必须对产生测量误差的原因有所认识，以便在交易中有效地解决测量中产生的不同意见，以免产生测量争议。

1.气体超声流量计量系统

超声波流量计按照探测的机理可以将其划分为：传输速率差异法（直接时差法，时差法，相位差法），波束偏移法，多普勒法等。声波在管线内外传递，声波在管线上以对角线方式传输，而上行路径上的声波则会被加速。相反，声波在反向传输过程中，由于气流速度的不同，速度也会减慢。由此可求出工作状态下流经燃气超声波流量计的气流轴线方向的平均速度及流量。采用流动计算器对工况下的流体进行测量，并结合温度、压力和气体成分等数据进行计算。在标准参考点下，通过繁琐的运算得到了流量。

2.影响因素分析

2.1超声流量计

超声波流量计是用于在工况下对流体进行计量的，其工作状况对其检测精度有很大的影响。当对测量的气体有不同意见时，可以从小流量测量、流量反向测量和传感器故障等几个角度进行分析。

（1）小流量影响分析

超声波流量仪表在使用中极易受到噪声、振动和气流脉动的干扰。GB/T18604-2014中规定，通常超声波流量计检测天然气的速度在0.3—30米/秒之间，随着速度的降低，其精度也随之下降，在被测流量低于最大流量的10%时，其精度将显著增加。

（2）换能器故障影响分析

超声波换能仪作为流量检测的关键元件，其失效会对工作状态下的流动检测精度产生不利的影响，而通过常规的声速检查，可以对其进行简单的检测，从而确定其有没有发生失效，也有可能在其上沉积有无杂质。如发现传感器有问题，应由流量计生产单位工作人员进行进一步的验证，并请用户一起验证，在买方和卖方均认可的前提下，对传感器进行更换和再次检测，以免产生计量争议。

（3）流量计的安装

仪表的设置要尽量远离振动的地方，有压力调节的站点，应该把流量计设置在压力调节系统的前端，如果需要的话，还要加装噪音抑制装置，防止噪音对测量产生影响。超声波流量计通常具有两个方向的计量能力，在流量计的前、后两个直管段和流量调节器的设置上都有详细的规定，通常是：20D直管段+流量调节器+10D直管段+流量计+10 D直管段；为了达到双向测量的目的，30D管道的前端和后端都要符合，磁流量计的检测时间也要进行正反两方面的校验。由于造价等方面的原因，以及场地的安装地点所限，交易场所一般都是按单项测量来进行设计和安装。

2.2工艺参数

（1）压力的影响

由于气体是可压缩的，所以在容积测量中，压力起着非常关键的作用。当其他参量相同时，在基准工况下，气体的容积流速会随着气压的增加而增加，所以当气压的测定出现偏差时，超声波测量的流速就会出现偏差，反之，则超声波测量的流速也会出现偏差。在对天然气计量偏差进行分析时，要注意其精度。

（2）温度的影响

由于天然气的膨胀和收缩特性，所以在容积测量中的温度是非常重要的。当其他参量相同时，在基准工况下，随着燃气的升温，燃气的容积流速会随着燃气的升温而减小，因此，若在测温过程中出现了较大的偏差，则会导致超声波流量计的测量结果较低，反之，则会造成检测结果的偏差。在对燃气计量偏差进行研究时，应充分重视其精度问题。在天然气超声波计量中，温度传感器通常采用精度较高的温度传感器来实现，而 GB/T18604-2014中要求，当流量计用于单向流动时，测温点应该位于流量计的下游法兰端面2 D到5 D之间，当使用温度计时，要小心温度计的套筒或插口管要伸进管子到公称直径的1/3左右，而大直径的管子，设计插入深度应不超过125 mm。

3.超声计量系统不确定度评定

在20-40℃的现场工作条件下，采用30℃的平均气温进行不确定度估计；实验结果表明，该方法的测量结果是：工作压力为6.0-6.4 MPa，计算结果的不确定度为6.2 MPa。超声波流量计采用的是一种量程为0-10 MPa的超声波流量计，其自身精度为0.075%，校准后的压力值达到

0.25。超声波流量计采用的是一种适用于-40-60℃的测温装置，其自身精度为0.075%，校准后的压力级别达到0.2。

（1）用于标定的基准设备的误差 us。我国油气大流量计量中心塔里木分公司所研制的汽轮机工作流标准仪的测量误差为0.32 (k=2)，其误差不确定度为0.16%，标样可重复率优于0.1%。

（2）运行工况下流速测定的不确定度uqf。采用 DANIEL公司3410型号DN300/DN400四声道气体超声波流量计，在边界流量之上工作时，采用多点校正的方法进行了实际流量校验，其示值偏差能达到0.15%以内。计算结果表明，相对于工作流测定结果，其误差最大为0.15%(k=2)，其误差为0.075%。

（3）工作状态下的绝对静态压力测定的基准误差upf：

upf=（1/）×0.25%×（10/6.2）=0.23%

（4）运行状态下的热力学温度测定的基准不确定度uTf：

uTf= (1/ ) ×0.2%×[(273.15+60)/(273.15+30)]= 0.13%

（5）在工作状态下，对压缩系数进行测量的不确定性。根据 GB/T18604-2014中关于压缩系数的计算方法，采用 GB/T17747.2-2011，推广不确定度取0.1%（k=2）。

结束语：

综上所述，要想对整个计量系统的不确定性进行控制，最重要的是要从流量测量、压力测量、温度和压缩系数的测量开始，要对仪器进行严格的安装，并对每一种成分的测量不确定度进行控制，从而达到对整个计量系统的不确定度进行有效的控制。

参考文献

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