天然气超声气体流量计

天然气能量计量系统中作为基础的超声气体流量计

?引言

超声技术已经达到了一个相当成熟完备的程度，它已广泛被各种测试团体接受。

除了众所周知的天然气传输管道中体积流量计量外，即将面临一个大的需要，即在遥远、任意的地点，比如生产地、集输线上测量天然气的能量含量。

本文描述一个整体的天然气能量测量的系统。它的基础是一台用于财务、贸易结算的新型超声流量计。这种流量计被设计成在传统的超声测量点使用，跟在现场使用一样。整个系统的功能，如在太阳能驱动下操作，强大的数据传输，无线通讯技术，使得它非常适合远程地区。除了超声流量计方面众所周知的优点外，该系统在声速检查的基础上提供了一种真实的自诊断功能，因此它满足了系统在偏远地区使用的特征。它对降低与流量计维护修理有关的人力费用非常重要，将会保证测量数据有较好的可信度。

?应用超声流量测量技术的能量计量系统

在世界范围内，天然气是以能量单位买卖的。在天然气管线中，现在还没有直接测量能量的独立的流量计。能量计量系统由测量体积流量的气体流量计、带有自动采样器的气体组成分析设备组成，并普遍使用积算仪。应用于能量计量系统中的气体流量测定技术包括最新的“超声气体流量计”。

这里描述的系统利用了各组成部分均低能源消耗的长处，使得系统可以完全由太阳能充电的电池驱动。作为选择，交流和直流电源均可以驱动系统各组成部分。

?系统描述

要确定天然气的能量需要描述于图 1 中的系统和它的各个组成部分以及其它仪器仪表。各主要部分在下面介绍。

测量体积流量的流量计

这里建议的能量计量系统使用图 2 所示的集成式的，可以长时间连续工作的超声流量计。传感器技术中使用小型化的超声换能器，它具有非常小的压力、温度影响的交叉敏感度。这可以使流量计在一个很宽的温度范围和低到大气压的很宽的压力范围内操作。

管路交汇处分布超声通道，当地气体流速信息从声道获得。综合实际流速分布，就可以确定体积流量。利用这些信息，再把流量计的结构尺寸特征考虑进来，由计算机处理。有关实际测定的流速、管道速度、声速和计算出的体积通过数字通信界面传向系统流量计算机。

集成的超声气体流量计（图 2 ）由于没有可动部件因而本质上无需维修。包括远程诊断在内的宽范围的通信选项减少了总体需要的维修。

此外的流量计信息诸如管速、声速和诊断信息借助系列通信界面都可以得到。

图 1

图 1 —天然气能量计量系统

图 2 — Flowsic 600 超声流量计

BTU 能量分析仪

BTU 分析仪基于气相色谱原理。设备自动地从管线中采集气体样品并进行分析，在贸易结算要求的精度内确定它的分子组成和热值。这些相关的信息被用来计算气体密度、超压缩因子和它的发热量。使用这种气体分析的先进设备，气体组成的分析数据可以在几分钟内得到。日后这些数据可以由系统计算机调出来使用。当完成一个新的分析后，这些存储的数据可以得到更新，整个过程大约 3 分钟。

符合 MODBUS 协议的标准系列通信接口（ RS232 、 RS422 和 RS485 ）使得流量计算机可以非常容易地访问最新气体分析数据。管理系统和计算机使用人 - 机对话界面（ MMI ）。有 3 个远程的和 1 个当地的通信接口。系统支持的通信协议包括远程 / 当地人机对话界面，到打印机 / 控制台的工程界面， ASC Ⅱ（ HCIA ）主机界面， Modbus 、 DSFG 和 PTB 打印输出。

总体的设计模式把所需要的平均维修时间从几周减少到几小时。使用数字技术两次校准之间需要的时间已扩展到几个月。

系统流量计算机

流量计算机是计量系统的中央处理单元。它访问从气体分析仪得到的最新的分析数据。从流量计获得流速信息，包括压力和温度读数，使用获准的和计量部门认可的（比如 AGA 、 PTB 、 NMI ）计算方法，天然气中的能量就可以计算出来。

流量计算机的功能包括在用户选择的时间间隔内获取和存储临界数据。所有已存储的数据可以应用流量计算机的通信选项远程访问。可用的通信选项是借助调制解调器、无线电、通信卫星的标准电话线。

可以在固定的或移动的 PC 机上运行的适应性很强的软件被用来就地或远程与流量计算机通信、监控、获取数据和诊断。

2.2 通信界面和数据传输

系统流量计算机与系统气体分析仪系列通信。 Totalflow Btu 8000 型气体分析仪和大多数其它工业标准气相色谱仪及分析设备都符合 Modbus 协议。流量计算机从系统分析仪存储器中调取需要的数据。如果没有在线的气体分析仪，需要的信息可以手工输入进流量计算机，并在有了新的数据时予以更新。

使用超声流量计状态参数时，通过系列通信界面连接到流量计算机。 Flowsic 600和许多在气体计量工业中应用的流量计都符合 Modbus 协议。同时提供了其它形式的气体流量计的脉冲和模拟流量计量界面。

所有数据处理的结果以用户自己选择的时间间隔存储在流量计算机的存储单元中，确保不会丢失。如图 3 中所示，这些信息，包括最新的文件，系统控制数据都可应用调制解调器、无线电、通信卫星等当地或远程的通信界面进行访问。

图 3 —与共同的网络和 / 或互联网通信

2.3 系统安全检查

为了保证系统正确的操作和得到高质量的数据，系统的每一组成部分都需要符合设定的规范。因此，每一测量设备都进行许多操作和状态检查。如果系统出了问题或需要维修，每一组成部分都与系统中央单元通信，这样就有可能管理和 / 或监控系统。系统的每一组成部分可以与当地和 / 或远程诊断软件沟通决定系统状态和分析问题。

控制系统性能的一个简单和有效的方法是通过从 Flowsic 600超声流量计得到的声速信息和根据气体分析仪气体组成分析数据计算得到的天然气中的声速。

?Flowsic 600 超声流量计的描述

?操作原理

Flowsic 600 流量计应用著名的传播时间测量的原理。在表体内安装超声传感器，由它来确定通过通道，与气体流动方向成 60 °角度。

图 4 —传播时间测量的原理

为了在不同的安装条件下得到很高的准确度，使用多声道测量，并且体积流量通过各声道流速的加权求和得到。

3.2 声道断面图

声道在断面上的布置结构对流量计的性能有很重要的影响。

对于 Flowsic 600 流量计（图 5 ），选择使用了 4 声道断面布置。

图 5 — Flowsic 600 流量计声道断面图

有几个原因支持使用非反弹多声道断面布置：

? SICK 公司发展的高精度测量时间的换能器技术不需要扩展声道长度。这种测量在总不确定度的贡献小于 10% ——在大口径时就更小；

?不采用弹性声道的技术消除了管内的反射点。这一点可以改变它的一些特征，比如因杂质或管壁粗糙程度而产生了附加不确定度的特征。表体的机械加工被简化了，因而降低了生产成本；

?反射的避免节约了声能。这使得可以减小电源输入，允许在所有的操作条件下包括大气压、气体低密度（ H 2 ）或高声能衰减（ CO 2 ）等运行更大口径的流量计；

?这种特殊的声道断面布置结构可以很好地补偿（但不测量）由于旋涡流引起的测量偏差。这一点通过高压、常压下大量试验已得到证实；

?采用 4 声道，并且具有补偿旋涡流功能的声道布置结构的流量计，比采用 6 声道，但可以独立测量旋涡流补偿的流量计节省了成本。这一点使得超声技术的成本比较接近于机械技术。

3.3 换能器技术

众所周知，换能器是超声流量计的核心和起决定性作用的部件。大多数现在应用的换能器采用所谓声学匹配层来与气体阻抗和固体表体匹配。

SICK 的换能器技术基于全金属设计，不使用任何匹配层（图 6 ）。这种阻抗的匹配通过完全用钛制造的声能变压器的特别设计来实现。设计工艺基于两个要点：

1.20 年的换能器设计经验用于控制发射的高热可燃性气体流量计量系统中；

2. 强大的理论支持——所有的换能器使用 FEM 方法和电机转换技术，从理论上建立了模型。

图 6 —换能器

特别的换能器设计促进了以下方面的进展：

?换能器小型化使得前面描述的声道断面布置结构适用于小口径（ 3 ″和 4 ″），这样流量计可以造的很紧凑；

?传播时间的高精度测量使得 60 °安装成为可能——这使得换能器端口或换能器突入流体的部件造成的紊乱得以减小；

?金属声能变压器具有高效性——使得流量计可以在常压和高到 100bar 的高压下用同一种类型的换能器操作；

?理论模型允许对设计参数进行有效的控制。这使得压力和温度不依赖于换能器性能，不需要进行补偿；

?不使用匹配层和温度敏感胶的作法允许系统在高达 200 ℃的温度下操作；

?换能器机械制造的高再现性保障了传播时间测量的高再现性。这是换能器在不改变流量计基线的情况下变换的前提；

?很高的信号强度和宽波使得可以在非常高的气体速度下测量（可以允许 40-80m/sec ，决定于流量计管径大小）；

?使用高频率防止电子管等安装设备的噪声妨碍。

3.4 声速测量

测定的声速正比于传播时间差。两个传播时间倒数求和可以得到声速。

声速是系统自诊断的非常有效的手段。由于声速依赖于温度和压力（成分非常小），所以这些值必须要知道。再加上在能量计量系统中已获取的气体组成数据，使用已知的模型（ AGA NO 10 号报告

/SDNICWare[5] ）就可以计算出声速。对比测量得到的声速和计算得到的声速数值，就可以明显看出测量系统的安全性和准确度，包括 Flowsic 600 流量计。如果差异超出一个限定值，比如 0.3% 就会报警。误差和不确定度来源不容易查找到，但是系统可以很确定地表明状态完好。

另一种独立的自诊断功能可以产生于流量计，不需要使用气体组成的数据。基于管道内没有温度分配的假设，所有声道的声速会被限于一个误差限内，比如 0.1% 。

3.5 流量计结构

流量计的结构使得超声技术应用的比现在更普遍，这是超声流量计总体设计目标。包括：

?使用要简单化，包括校准；

?跟其它测量技术（比如涡轮流量计）有相同的应用基础和接口连接；

?不同外径结构，没有外在换能器缆线；

?在不降低准确度的前提下，生产技术使得成本降低。

流量计表体使用钢铸件制成，这会降低生产和测试费用。精确加工保证很高的再现性。通常与焊接有关的收缩、扭曲变形、不圆整被完全避免了。流量计表体整体化组装，把所有的换能器和缆线放入封套内。

图7—去掉外壳的4个换能器和缆线侧视图

这对保护换能器免受环境影响非常重要，并且它保护缆线免受运输、安装和维修中造成的破坏。

对所有 4 ″管径，流量计表体的底座长度为 3D （ D 为管道内径，下同）。这一点与其它的流量计比如涡轮流量计是一致的。因而流量计可以在相同的安装位置使用，甚至取代原先安装在那里的涡轮流量计等测量设备。

操作 4 声道流量计所需要的所有电子元件，用于信号计算和流量计通信，都安装在顶部的小盒子里。这种界面用于在一侧与流量计兼容（双脉冲输出），在另一侧与前面叙述的先进系统兼容（与前面描述的系统Modbus 界面连接）。

流量计提供以下数据：

? 2 个独立的双向体积计数器， 2 个误差体积计数器；

?实际条件下的体积流量；

?管道速度、声速；

?状态参数（只针对连续运行）。

所有的电器都是低电源设计，允许太阳能供电，包括太阳能面板适配的控制电路。

流量计的生产资质符合 ATEX 和 CSA 要求，并遵守欧洲 PED （压力设备指导）和 U.S.DOT 102 条例。欧洲许多国家的型式批准在关联交易中可以使用，并且在北美的西南研究院（ SwRI ）作了检定测试。

3.6 校准

Flowsic 600 流量计提供了在大气压条件下校准的可能性（如果用户接受的话）作为那个时刻的标准校准。在操作压力下对基线进行雷诺数校正，数据可以用计算机计算出来，并且存储在系统文件中。这造成了费用上的真正节省。

AGA NO 9 号报告中 [6] 描述的程序不是真正的校准，只是把影响流量计准确度的各参数调整到它们的实际值。

4 温度、压力

温度、压力直接参与将实时的流量换算成标态下的流量，进行贸易结算。所以，高精度的温度、压力变送器是必须的。

系统采用罗斯蒙特压力变送器（3051S1TA4A2A11A1AB4E1M5Q4T1、0306RT22BA11P2）、温度变送器

（3144PD1A1E1M5T1Q4XA、0065N31J0080D0250T44XA），精度高、可靠性好。

5 安装

上图为安装示意图。具体情况还要根据用户的要求安装。现场图片