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非校準條件的情況下超聲流量計的操作

作者： 時(shí)間：2013-08-02 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏
1 摘要

現在，用于天然氣計量的超聲流量計的校準盡可能在流量校準裝置上進(jìn)行。既然幾乎所有的這些裝置使用天然氣流過(guò)管線(xiàn)，在通常情況下，就不可能改變影響聲速的參數，比如溫度、壓力、氣體組成。當超聲流量計使用時(shí)這些參數如果相異于校準情況下的數值，校準還能起到作用嗎？

為了定量地描述這些參數的變化對超聲流量計校準的影響，進(jìn)行了一系列的仔細控制的校準實(shí)驗。第一步的實(shí)驗包括在西南研究院（ SwRI ）的高壓回路中使用壓力 2.8MPa （ 400psi ）的天然氣介質(zhì)校準一臺 200mm （ 8inch ）和一臺 300mm （ 12inch ）的超聲流量計。作為附加的參考， 200mm 和 300mm 的渦輪流量計也應用于回路中。然后把流體介質(zhì)改為氮氣，聲速變化了 16% ，數值上等效于天然氣 4.6 MPa （ 677psi ）的壓力。

為了進(jìn)一步試驗壓力對超聲流量計校準的影響，在壓力從 1.4MPa （ 200psi ）到 7MPa （ 1000psi ）的范圍內，使用氮氣對口徑 300mm 的流量計進(jìn)行了一系列的統計聲速測量。測量值表明在這個(gè)壓力范圍內聲速的變化在計算值的 0.03% 以?xún)取?

此外，對溫度和流體介質(zhì)的變化導致的聲速的變化，進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗。用天然氣在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 10 ℃（ 50 ℉ ）進(jìn)行校準實(shí)驗，用氮氣在 21 ℃（ 70 ℉ ）和 32 ℃（ 90 ℉ ）下進(jìn)行。對每一系列的校準，對比平均校準曲線(xiàn)，得出變化對校準的影響。在滿(mǎn)足期望的裝置和流量計再現性條件下，超聲流量計的校準對聲速的變化、溫度和壓力的變化都沒(méi)有反應。當用于校準的流體介質(zhì)從天然氣變化到氮氣時(shí)，觀(guān)察到的微小的變化是由于對這兩種氣體使用的狀態(tài)方程不同。

這些測試結果證明如果超聲流量計在一套條件下的校準程序是可行的，在另外的條件下使用也可以，包括用不同的氣體介質(zhì)。

2 引言

用于關(guān)聯(lián)交易的天然氣計量用超聲流量計的原理是通過(guò)測量氣體的超聲波傳播時(shí)間。超聲波在與流體流向一致時(shí)，傳播時(shí)間要小于逆流時(shí)的情況。兩種狀態(tài)下的傳播時(shí)間差用于計算氣體流動(dòng)的平均速率。實(shí)際的體積流量可用下式表示：

這里 K= 流量計的儀表系數，△ T= 傳播時(shí)間差，T1= 順流時(shí)的傳播時(shí)間，T2= 逆流時(shí)的傳播時(shí)間

由于這個(gè)流量方程式中只包括了流量計的物理學(xué)結構尺寸和傳播時(shí)間，它獨立于流動(dòng)氣體中的聲速（ SOS ）。因此，就可以作出假設：氣體流速的測定獨立于影響氣體中聲速的因素，比如溫度、壓力和氣體組成。如果這個(gè)假設不正確，超聲流量計在不同于現場(chǎng)運行條件下的校準的有效性就值得考慮。

首先，對超聲流量計氣體速度的測定獨立于聲速，但可能由于下列原因還有一些次要的影響。

聲阻改變了信號對氣體的耦合；
雷諾數的變化。雷諾數正比于特定的重力（ SG ）與粘度的比值；
信號的波長(cháng)（ WL ）隨氣體組成變化而變化。

在不同的介質(zhì)下留意這些參數是饒有興趣的。下列的表格是針對標準條件，注意對一給定的管徑大小和流速，雷諾數幾乎是個(gè)常數。

表1 氣體性質(zhì)

當從天然氣改變?yōu)榭諝饣蛘叩獨?，許多氣體性質(zhì)會(huì )變化，比如聲速、特定的重力和粘度。然而，由于它們也隨溫度和壓力變化，超聲流量計在操作條件的范圍內在氣體性質(zhì)上就有可以想象得到的交迭，表明偏離標準條件不是那么重要。

3 研究目標

本文中所闡述的研究目標是確定溫度、壓力和流體介質(zhì)變化對氣體超聲流量計的影響。除了檢驗超聲流量計技術(shù)外，該套程序還有支持這些天然氣流量計用氮氣或空氣校準的作用。

現在，在北美只有兩套設備可用以在超出流量范圍的情況下校準口徑大于 200mm 的超聲流量計。這些流量計的安裝以每年超過(guò) 10% 的速度在增長(cháng)。在將來(lái)，校準設備將會(huì )變的有很大的局限性。這些校準裝置可能在使用不到幾年的情況下就需要重新校準。

如果超聲流量計的校準只限于天然氣裝置，建造新裝置的可能性會(huì )由于位置和費用而被局限。然而，如果可以證明用其它介質(zhì)校準是等效的，建造新裝置的可能性就大大提高了。用空氣校準天然氣流量計就不單單針對超聲流量計。幾乎所有用于天然氣計量的渦輪流量計和住宅用煤氣表都可以用空氣校準。

4 流量回路校準

為了實(shí)現該程序的目標，在零流量和其它流量條件下進(jìn)行實(shí)驗。零流量的實(shí)現用來(lái)確定壓力對校準的可能影響。

4.1 流量回路實(shí)驗

既然現在沒(méi)有加壓的流量校準裝置在同一測試回路中既能用天然氣校準也能用空氣校準，最好的選擇是用惰性氣體氮氣，它有與空氣接近的性質(zhì)（空氣含 78% 的氮氣）。西南研究院擁有一套循環(huán)系統（不是氣體管線(xiàn)的一部分），它是北美唯一的可以用同一套儀器在相同的回路中既適用于氮氣也適用于天然氣測試的裝置。盡管音速?lài)娮煅b置是用稱(chēng)重系統確定質(zhì)量流率的校準裝置，音速?lài)娮炝髀视嬎阈枰獨怏w組成和狀態(tài)方程來(lái)確定氣體性質(zhì)。同時(shí)決定在回路中使用參考渦輪流量計來(lái)對比兩種體積計量的流量計（比如渦輪和超聲流量計）。這種參考表法相比較流量計與音速?lài)娮鞂Ρ鹊姆椒▽怏w組成的以來(lái)要小。

在西南研究院的高壓回路中用氮氣和天然氣作為試驗流體進(jìn)行了一系列的標準校準。此外，改變溫度相應改變聲速。在這些校準實(shí)驗中，包括儀器儀表、管線(xiàn)布置和數據采集系統在內的測試裝置不發(fā)生變化。

高壓回路中已經(jīng)包括了兩臺 Daniel 300mm 多聲道超聲流量計，并在參考部分安裝了一臺 Daniel 300mm 的氣體渦輪流量計。一臺 Daniel 200mm 多聲道流量計緊跟一臺 Daniel 200mm 渦輪流量計安裝在回路中的測試部分。 200mm 流量計安裝在高壓回路中的測試部分，防止太陽(yáng)直射。在 300mm 管徑和 200mm 管徑變徑處下游 5D 處安裝一臺流量調節器（ Daniel Profile ）。在兩臺流量計之間至少有 5D 的距離，在流量調節器和超聲流量計之間留出長(cháng)至 24D 的長(cháng)度。 200mm 的渦輪流量計安裝在 200mm 管徑部分，并且與 200mm 到 300mm 管徑變徑處保持至少 5D 長(cháng)度。
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