超声计量系统在中乌输气管道的应用

利用超声波的原理测量流量始于1928年，于20世纪70年代进入实用阶段，但仅限于测量液体流量，测量气体流量则始于90年代。与孔板、涡轮、涡街等传统流量计相比，超声流量计具有明显的技术优势（表1），在天然气流量计量领域中的应用日益广泛，目前已从单声道流量计发展到4声道、5声道和6声道流量计，国内西气东输、川气东送等重大管道工程都使用了Daniel4声道超声流量计。比较有代表性的制造商有Daniel（被Emerson收购）、Instromet（被Elster收购）、RMG、FMC、Controlotron等公司。

1 超声流量计的性能特点

超声流量计适用于各种管径管道流量的高准确度计量（表1），而且管道流量和管径越大，准确度越高。超声流量计的性能优势表现在诸多方面：可长期稳定运行，大大降低了维护费用；测量范围（量程比）很宽，一般为1∶40～1∶160，最大可达1∶300；重复性高，有的可实现双向流量计量；所需上下游直管段较短；无可动部件，使用安全、可靠；超声换能器轻巧，所占空间小，安装维护方便；流量计本体无压损，可降低长输管道的增压费用；不受涡流与横截面流速分布变化的影响；可精确测量脉动流；不受沉淀物、湿气的影响；具有自检、自诊断功能；管内无阻流件，可允许清洗球自由通过管道和流量计，便于清洗；无磨损，示值无零点漂移现象，偏移误差小；动态测量范围宽；不受压力、温度、气体组分变化的影响；增加声速核查功能后不再需要频繁检定。

表1 不同类型流量计的性能特点

2 中乌天然气管道超声计量系统

2.1 计量站设置

中乌天然气管道总长约529km，南起土库曼斯坦和乌兹别克斯坦边境的格达伊姆，北至乌兹别克斯坦和哈萨克斯坦边境。为了计量土库曼斯坦的来气量和哈萨克斯坦境内的进气量，分别在管道起点和终点建立了WKC1和MS两个计量站。一期工程均使用Emerson提供的计量设备，全线共设计安装DN400超声波流量计16台，8台用于WKC1站的生产计量，8台用于MS站的商业计量。其中，WKC1站的8台流量计分为2组，分别计量A、B线来气，每组4台，设计为3用1备，每路计量管道出口均设流量调节阀，用以控制管道出口压力；MS站计量区的8台流量计没有分组，设计为6用2备，每路计量管道出口均未设工作调节阀，不能控制管道出口压力，计量系统配置与WKC1站相同。

2.2 计量系统组成与设备参数

超声计量系统由超声流量计（USM）、流量计算机（FC）、压力变送器（PT）、温度变送器（TT）和气相色谱分析仪（GC）等设备组成。

FC通过对USM测得的流量进行体积修正，得到标准状况下的流量公式：

式中：Vn为FC根据气体状态方程计算得到的标准状况下的天然气体积流量，m3/h；Vf为USM测得的工作状况下的天然气体积流量，m3/h；pf为PT测得的流经流量计的天然气瞬时压力，MPa；pn为1标准大气压，取0.101325MPa；Tf为TT测得的流经流量计的天然气瞬时热力学温度，K；Tn取293.15K；Zf为工作状况下流经流量计的天然气瞬时压缩因子，由FC根据GC分析得到的组分值按照计算求得，无量纲；Zn为换算到标准状况下流经流量计的天然气瞬时压缩因子，由FC根据GC分析得到的组分值按照计算求得，无量纲。

中乌天然气管道的两套计量系统均由8台USM、FC、PT、TT和1台GC组成。其中16台超声流量计经中国国家石油天然气大流量计量站南京分站校准，其他设备经乌兹别克斯坦计量服务中心检定合格（表2）。

表2 中乌天然气管道超声计量系统设备主要参数

2.3 系统安装

超声流量计采用成橇安装（图1）方式。根据要求，在超声流量计上游10D（管道内径）处安装Emerson提供的盘式整流器，用于调整上游气体的流态；在流量计表体安装压力变送器；在流量计下游（3～5）D处安装温度变送器。气相色谱仪安装在进站管道旁专用的分析室中，便于从管道中采集气样；气相色谱分析仪配套的2350型控制器安装在站控室的计量机柜上，流量计算机安装在站控室的计量机柜中，与超声流量计一一对应。

2.4 信号传输

USM测得的工况体积流量为脉冲信号，通过现场与站控室之间的RS485数据线传到FC；PT、TT测得的压力、温度为（4～20）mA信号，通过模拟量数据线传到FC；GC分析得到的天然气组分值为（4～20）mA信号，首先传到2350控制器，由2350控制器转换成RS485信号分别传到各FC。最后，FC根据工况下的各参数计算计量交接标准状况下的体积流量。

图1 超声流量计安装示意图

3 中乌天然气管道超声流量计

3.1 结构组成

超声流量计由流量计表体、超声传感器（又称超声换能器或超声探头）及其安装部件、信号处理单元（SPU）和流量计算机组成（图2）。

图2 超声流量计结构组成示意图