超声波流量计应用

1、1标题标题英氏气体超声波流量计在华中输气中的应用中国石油中国石油2008中国油气论坛2摘要摘要摘要摘要： 管道华中输气安装的英氏气体超声波流量计于2004年运行以来，其工作性能稳定、可靠，基本能适应压力、流量具有一定波动幅度的复杂工况条件，保障了上下游贸易气量的准确计量。同时,我们工程技术人员通过刻苦专研和在场站的实践应用，基本上熟悉和掌握了英氏气体超声波流量计的基本性能、原理和操作技能。它的应用大大提高了贸易计量管理水平和准确度，取得了良好的应用效果及经验。为此，简述英氏气体超声波流量计的工作原理、性能、日常操作方法、探讨其应用中的不足，以期保证英氏气体超声波流量计场站应用的可靠性。关键词：

2、天然气关键词：天然气 气体超声波流量计气体超声波流量计 应用应用 华中输气华中输气中国石油中国石油2008中国油气论坛3前言前言 在我国天然气贸易交接计量中，气体超声波流量计系统应用快速发展。英氏气体超声波流量计自2004年进入并安装应用在忠武天然气输气站场以来，计量精度高等优点显著。(1)、测量范围宽(2)、精度高(3)、重复性好(4)、稳定性强主要优点：(5)、压损小(6)、不受被测介质、安装的影响 因此，英氏气体超声波流量计逐渐作为忠武天然气输气贸易交接的常用计量仪表。 安装在生产现场的Instromet气体超声波流量计中国石油中国石油2008中国油气论坛4中国石油管道华中输气分公司简介

3、1.1 忠武输气管道是十五期间国家重点建设项目，总投资50亿元。工程于2003年8月28日开工，经过15支管道建设劲旅两万多建设者攻坚克险的努力奋战。于2004年11月16日实现干线及黄石支线、襄樊支线进气投产；2004年12月 25日实现商业供气。于2005年5月26日湘潭支线投产，实现三代石油人“川气出川”的梦想。 1.2 右图：(座落在湖北省武汉市武昌区雄楚大街)中国石油管道华中输气分公司机关大楼1. 中国石油管道华中输气分公司简介中国石油中国石油2008中国油气论坛5中国石油管道华中输气分公司简介1.3 忠武输气管道“一干三支”全长1375公里， 途经一市（重庆）、两省（湖北、湖南），

4、15个市（州）、31 个县（区）。干线：重庆忠县湖北武汉，线路长度为718.9公里；支线：荆州襄樊，线路长度为238.1公里； 潜江湘潭，线路长度为340.5公里； 武汉黄石，线路长度为77.9公里。1.4 忠武输气管道山区河谷跨越中国石油中国石油2008中国油气论坛61.6 忠武输气管道是继西气东输工程后中国石油又一条横贯东西的能源大动脉，管道的建设难度为中国管道建设史上前所未见，誉有“中国管道建设百科全书”之称。主要工程有：（1） 7次江底隧道穿越（其中4次穿越长江）；（2） 7处山区大中型跨越；（3） 27条山体隧道（总长10.19公里）；（4） 大开挖穿越河流沟渠114条；（5） 穿越

5、大中型鱼塘163个；（6） 48处定向钻穿越；（7） 393处等级公路（其中34处高速公路）和14处铁路穿越。1.5 1375公里管道上共设输气站场21座、清管站3座、管道保护站2座、阀室38座。忠武管道设计年输气量30亿标方，向两湖地区的28个城市用户供气。中国石油管道华中输气分公司简介中国石油中国石油2008中国油气论坛71.7 华中输气分公司输气站场中国石油管道华中输气分公司简介功能:（1）主要配置:完成站内压力、温度、可燃气体浓度、气体计量数据的采集;电动阀组的监视和控制、并向北京调度中心上传数据和接受调度中心下达的控制命令。 SCADA远程控制系统；即数据采集与监视控制系统 。控制模

6、式：（2）主要计量设备:调度中心级、站控级和就地控制级。英氏气体超声波流量计中国石油中国石油工艺站场2008中国油气论坛8英氏气体超声波流量计系统在华中输气中的应用 英氏气体超声波流量计经过三年多华中输气场站计量实践证明： 在忠武管道贸易计量管线上使用精度高、稳定性强的多声道英氏气体超声流量计，减少了上下游计量纠纷，确保了贸易双方计量交接公正、公平。气体超声波流量计经国家原油大流量计量站检定合格，精度均大于0.5级；2. 英氏气体超声波流量计系统在华中输气中的应用中国石油中国石油2008中国油气论坛9 9英氏气体超声波流量计系统在华中输气中的应用中国石油中国石油2008中国油气论坛2.12.1

7、基本概念基本概念1、超声波计量系统的任务 准确测量经过在气体输送管道中安装的超声波流量计的天然量2、天然气的特性 可压缩性，根据天然气所受压力、温度和天然气组成的不同，其可压缩的程度也不同3、怎样衡量天然气的量 A，体积计量：将经过超声波流量计的、在实际输送状况下的天然量转换为某一指定状态（标准状态）下的天然量 B，能量计量：将经过超声波流量计的、在实际输送状况下的天然量转换为该气量燃烧后可以发出的热量10英氏气体超声波流量计系统2.2 2.2 组成组成 气体超声波流量计系统主要由气体超声波流量计、流量计算机、上下游计量管段、温度变送器、压力变送器等组成。（如图1）图1： 气体超声波流量计系统

8、的组成图中国石油中国石油2008中国油气论坛11英氏气体超声波流量计（1）传感器成对地安装在英氏气体超声波流量计管壁上。一个传感器所发射的超声波脉冲穿过管道，在管道内壁发生反射后，会被另一个传感器所接收。（2）当管道中有气流流过时，在气流中传播的超声波脉冲的传播速度将受到气流的影响。简单地讲，就像在河流上航行的船只一样。当超声波脉冲顺流传播时，速度会加快；相反，当超声波脉冲逆流传播时，速度则会变慢。在实际工作过程中处在上下游的传感器将同时发射超声波脉冲，显然一个是逆流传播，一个是顺流传播。气流的作用将使两束脉冲以不同的传播时间到达接收传感器。由于两束脉冲传播的实际路程相同，传输时间的不同直接反

9、映了气体流速的大小，利用公式（3），即可通过时间的检测得到气流的流速。中国石油中国石油2.3 工作原理工作原理2008中国油气论坛12英氏气体超声波流量计t1 - t1 2L = vbaabmcoscos v cL = tUbacosv + cL = tDabvDiLVCOSCA传感器B B传感器传感器式中： Tab：顺流传播时间 Tba：逆流传播时间L：声道长度C：声速V：气体流速（1）（2）（3）图2：单声道超声波流量计工作原理图中国石油中国石油(3) (3) 流速计算流速计算:声音传播角度2008中国油气论坛13 /hm3600t1t1Acos2LQ3abbaL英氏气体超声波流量计中国石

10、油中国石油(4)(4)、流量计算、流量计算AvQmL2iD4A超声波流量计的精度取决于:计时精度 (仪表误差)，几何量L ,A 和 的不确定度其中：L为声道长度 ,A 为管道横截面面积, 为声道发射角度2008中国油气论坛14英氏气体超声波流量计2.4 多声道气体超声波流量计（1）为了提高流量计的精度和对输气现场的适应能力，英氏在我公司应用了 多声道的气体超声流量计。 （2）多声道气体超声流量计特点a、采用既能发射又能接受超声波脉冲的传感器作为检测元件；b、将人工智能技术引入到超声波传感器中；c、多对传感器组成了一个独特封闭的超声通道网络，在不同范围内，单反射在管道整个横截面对平均流速进行测量

11、，双反射对气体产生的涡流强度进行分析，减少或基本消除流速分布、涡流对流量的影响，确保检测信号不受干扰，实现对速度分布剖面的层析，确保检测信号的质量，从而获取精确的气体平均流速。中国石油中国石油2008中国油气论坛15英氏气体超声波流量计（3）多声道气体超声波流量计的工作原理图中国石油中国石油2008中国油气论坛16英氏气体超声波流量计中国石油中国石油2.5 探头(换能器)：(2) 右图：超声波探头a、不锈钢外壳；b、压电陶瓷元件；c、带超声传感器焊接电线的高压密封装置 d、防爆电缆密封装置；e、双绞线信号电缆f、双O形圈密封.(1) 超声波流量计采用既能发射又能接收超声波脉冲的传感器作为检测元

12、件。结构如下结构如下: :2008中国油气论坛17英氏气体超声波流量计2.6 技术特性（1）基本输入输出特性d.、开关信号：对应数据有效性和流动方向。a. 频率输出(0-10KHz)；b.模拟输入(4-20mA):对应工况体积流量,平均气体流速和声速；c.串行数据通信（RS485）；中国石油中国石油2008中国油气论坛18英氏气体超声波流量计（2） 优点14 自诊断功能1 精度高（0.3%-0.5%)2 重复性高3 无压损4 所需的直管段短(上游10D,下游3D)5 可测量双向流6 可精确测定脉动流7 量程比宽8 对压力的很大变化不敏感9 无可动部件10 对沉积物不敏感11 重量轻,占用空间少

13、12 免维护13 可带压更换传感器,且更换后无需新标定中国石油中国石油2008中国油气论坛19英氏FC2000系列流量计算机2.7 : FC2000系列流量计算机英氏流量计算机 中国石油中国石油(1) FC2000流量计算机是气体超声波流量计系统中的一个重要组成部分2008中国油气论坛20(2) FC2000流量计算机的功能英氏FC2000系列流量计算机a. 计算功能： FC2000流量计算机能够利用气体色谱仪传来的气体组分数据或固定的气体组分数据和温度压力变送器传来的温压数据根据GERG分式计算实时压缩因子。压缩因子计算功能：流量计算功能：FC2000流量计算机利用计算出的压缩因子和温度压力

14、变送器传来的温压信号对气体超声波流量计传来的流量信号进行体积修正，从而得到标况下的体积流量和累积量。中国石油中国石油2008中国油气论坛21b. 显示功能显示组态数据；显示各种检测数据：包括工况标况下的瞬时流量累积流量，流速、声速、温度压力等等；显示气体超声波流量计的自诊断数据显示报警内容。英氏FC2000系列流量计算机中国石油中国石油2008中国油气论坛22英氏FC2000系列流量计算机c. 组态功能能够对一些初始条件；报警限值；功能设置和默认值进行组态。d. 报警功能能够根据组态，产生报警指示和输出（开关量）。e. 输出功能模拟输出：FC2000具有6个4-20mA模拟输出端，可根据组态对

15、应不同的检测值输出。脉冲输出：有12个脉冲输出端，可根据组态对应不同的检测值输出。开关量输出：有6个开关量输出端，可据组态对应不同的报警输出。 中国石油中国石油f. 通信功能FC2000具有多个串行数字通信口（RS232RS485），分别可以与气体超声波流量计、笔记本电脑、上位机等进行串行通信，并且还具有一个或多个与SMART变送器进行通信的HART口。2008中国油气论坛23英氏气体超声波流量计中国石油中国石油2.8 波形图和流速性能（1）典型的的超声波波形波形2008中国油气论坛24英氏气体超声波流量计中国石油中国石油（2）流速剖面分析直管段的流速剖面分析(1)层流: v 0.3 m/s,

16、 Re 0.3 m/s, Re 10,0002008中国油气论坛26英氏FC2000系列流量计算机2.9 系统的日常操作系统的日常操作（1）显示并读取数据a 在FC2000流量计算机上，根据所要读取的数据的符号。可使用上卷键（）或（）进行翻页，逐页查找。b 在站控计算机上显示并读取数据中国石油中国石油2008中国油气论坛27英氏FC2000系列流量计算机（2）日常需要读数的数据列表中国石油中国石油2008中国油气论坛序号序号 检测数据的名称检测数据的名称符号符号地址地址(Location)1正向工况体积总量+Vb1,0,00,02正向标况体积总量+Vn1,0,00,23报警条件下的正向标况体积

17、流量+Ven1,0,02,24当前一小时的正向标况体积流量+Vn.th1,0,04,25过去一小时的正向标况体积流量+Vn.ph1,0,06,26当天的正向标况体积流量+Vn.td1,0,08,27前一天的正向标况体积流量+Vn.pd1,0,10,28工况体积流量Qb1,0,25,09标况体积流量Qn1,0,25,110工况压力P1,0,29,011工况温度t1,0,29,112工况下的压缩因子Z1,0,30,013流速V.corrd1,0,37,328英氏FC2000系列流量计算机2.10 2.10 参数设置参数设置 （1）在运行过程中，有时需要对流量计算机中的某些参数进行修改，如报警限值、

18、默认值和修正时钟，尤其是当采用固定气体组分计算压缩因子对气体体积进行修正时，需要根据对气体组分的实际分析，向流量计算机中输入气体组分数据。这时，就需要进行参数设置的操作。 （2）当运行期间,如果在钥匙开关处于DATA位置时将流量计算机断电，将会造成检测数据丢失的严重后果。规定要求在运行过程中，任何参数的修改都必须征得公司领导和工程技术人员的同意，并办理必要的手续，如填写参数修改操作票和操作记录等。（此项站控级无权修改）中国石油中国石油2008中国油气论坛29英氏FC2000系列流量计算机2.11 2.11 系统报警的发现与处理系统报警的发现与处理在FC2000流量计算机中设置有两类报警：责任报

19、警（ACC-ALARM）和非责任报警（NON ACC-ALARM）。当发生报警时流量计算机面板上LED显示屏的报警灯(红色) 将亮起来。另外，还有两个报警指示灯：故障（FAULT）和温度（t-ALARM)报警。无论发生何种报警，我们值班操作人员都应进行及时的了解和处理。当值班时四个报警指示灯中的一个或若干个亮起来时，说明有报警状态出现。这时，首先应按下面板上的报警显示按钮（ALARM），显示报警页。（1）（2）（3 3） (4 (4）中国石油中国石油2008中国油气论坛30英氏FC2000系列流量计算机2.12 2.12 系统的日常维护系统的日常维护（1 1）超声波流量计是一种无可动部件，无节

20、流件，无引压引流管路的纯电子产品，没有部件磨损和堵塞问题，因此维修工作量非常少，维修程序简便。基本上是一种免维护的计量设备。（2 2）我们日常所需要做的工作是根据流量计算机自身具备的自诊断和报警显示功能，检查气体超声流量计故障所在；即主要是定期地收集流量检测系统的运行数据。将这些数据进行分析和比较（与具有可比性的历史数据，即在相同工况条件下的数据），了解流量计运行状况，以确定流量计是否存在故障情况。中国石油中国石油（3） 我们我们定期检查信号处理单元及计时系统是否工作正常、声道有无故障、零流量测量是否准确等，检查装置有无漏气现象，以确保气体超声波流量计的长期稳定运行。（4） 气体超声流量计长期

21、不计量（如副路备份表）或当短期不计量而管道内压力低于工作压力时，我们把系统断电，以延长气体超声流量计的系统使用寿命。2008中国油气论坛31英氏FC2000系列流量计算机c. c. 性能性能 一般一般 性能的显示值通常接近100%。在一个较长的时期内使用中传感器表面逐渐被污染，性能将呈缓慢的递减则表示传感器大于90%，但在很大的流量下，性能将降至50%左右，但不影响测量精度，只有当性能接近零时，精度才会变坏。一般，我们将性能值的报警值设置为20%。当发现性能值低于设定值时，就需要进行必要的处理，通常我们在不断流情况下直接提升传感器探头进行更换、清洗。中国石油中国石油a. 声速（声速（VosVo

22、s） 流量计所检测到的声速的数值通常应是在一定范围内的稳定值，当声速值发生突然的跳变（变化幅度大于0.15m/秒)时,将表明故障发生。 b. b. 气体的流速气体的流速 如果在零流量进行测量时，所测得的气体流速是一个不稳定的低数值，表明可能存在一定的测量误差。根据我们的实际经验，零流量检测，需要严格的测试条件，比如保证管道中确实没有气体流过，且管道中的温度要保证恒定和均匀。2.132.13日常运行重点需要监测并进行分析和比较的数据：日常运行重点需要监测并进行分析和比较的数据：2008中国油气论坛32英氏FC2000系列流量计算机 水平增益值主要受压力的影响，压力降低，水平增益值增大。正常情况下

23、，水平增益值在长时间内应当是稳定的,所以一对传感器中的A与B之间水平增益值没有明显的差别，但在较高流速下原有的水平增益值水平的差别可能会增大。由于较高流速所引起的朝上游和朝下游超声脉冲的不同声道弯曲会导致水平增益值对朝上游的传感器增大其放大倍数，而对朝下于的传感器减小其放大倍数。对于正向流动的情况，传感器A是位于上游，传感器B是位于下游。水平增益值这时，我们通过工艺调整，消除使水平增益值升高的因素，如压力低或流速高等，即当水平增益值与增益限值的比值小于2时，就及时调整输送工艺参数，排除仪表故障。中国石油中国石油d.d.水平增益值水平增益值2008中国油气论坛33英氏FC2000系列流量计算机中

24、国石油中国石油e.增益限值增益限值 增益限值增益限值反映了背景超声和电噪声的量。在长时间以内这些限值都是稳定不变的。当发现AGC限值减小，一般是由外界干扰源所引发的超声和电干扰的结果。我们就需检查所有的接线和设备与电缆的屏蔽及接地状态；检查仪表的供电电源；检查调节阀或调压器所产生的超声噪声对AGC限值降低的影响因素。一般AGC限值应超过AGC水平3倍或更多。AGC限值正常值为65025。如果AGC限值长时间低于40000时，我们应检查可能引起AGC限值降低的影响的其他因素，并及时处理。2008中国油气论坛342.14 2.14 特性总结特性总结 通过场站计量应用，英氏气体超声流量计的精度、重复

25、性高，无压损，可测脉动流，测量双向流。除此之外，时差式气体超声流量计还具备以下优势。 流量测量独立与声速、温度及气体状况 气体超声流量计的流量计算方程包括表体的物理尺寸和传播时间，与声速无关，使被测气体流量的测量独立于被测气体的性质（如压力、温度和气体组分等），消除因气体状况对气体流量计量的影响，提高了流量计的测量精度和重复性。英氏气体超声波流量计系统中国石油中国石油2008中国油气论坛35 干扰抑制特性 气体超声流量计运用数字化处理技术，其中自动增益控制电路及信号增强软件，对因压力和流量等气体特性变化导致的流动干扰进行修正补偿，优化、降低对流动干扰的敏感性，并通过多个高强度超生声波探头对信号

26、进行反复检测来确保信号的质量。 故障自诊断能力 测量系统具有自检测与自诊断功能，通过流量计算机对水平增益值、增益限值、采样率、接受率、流量计算机会发出警报，以便我们及时有效的进行设备维护检查。英氏气体超声波流量计系统中国石油中国石油2008中国油气论坛36 人机对话 流量计流量信号上传至流量计算机，流量计算机根据气体组分数据和温度/压力数据对流量信号进行体积修正，从而得到标准状况下的体积流量和累计量，再通过流量计算机和站控机可直观、详尽地查看现场气体的工/标状况下瞬时量/积累量、流速、压力、温度、故障报警等参数。并有多个通讯口与气体超声流量计、笔记本电脑、上位机等进行串行通讯。 电路技术 智能

27、技术处理系统，提高了测量的自动化程度，减少信号传输损失，实现贸易气量的高精度计量。其中计时精度达毫微秒级（ns），测量的分辨率大雨1mm/s。英氏气体超声波流量计系统中国石油中国石油2008中国油气论坛372.15 2.15 存在的不足存在的不足 虽然气体超声流量计运行稳定、工作性能可靠，可适应压力、流量具有一定波动幅度的工况条件。但由于复杂的实际工况条件，使贸易计量产生不同程度的附加误差，影响着流量的准确计量，主要表现如下几个方面： （1 1） 随着忠武输气量日益增大，供气上下游差压波动较大，导致气体冲击调节阀及汇管，造成管线强烈的震动及噪音，引起信号处理单元、超声波传感器等部件发生共振，致使流量测量大幅波动，影响流量计的平稳运行及流量的准确计量。 （2 2）工艺操作失误使气体的气质组分变化或附属物以及气流对管线的冲刷，导致流量计匹配的直管段内壁附着赃物、锈蚀或机械损伤，导致计量失准或损坏，引发贸易计量故障。英氏气体超声波流量计系统中国石油中国石油2008中国油气论坛38 （3）在线运行的气体超声流量计当突发