渦輪流量計超聲波流量計在天然氣計量中的應(yīng)用
摘要：隨著天然氣的廣泛應(yīng), 天然氣計量成為人們關(guān)注的話題。本文主要介紹了渦輪流量計、超聲波流量計在天然氣計量中的應(yīng)用及存在的主要問題, 并提出了相應(yīng)的解決方式方法。闡敘了我國未來天然氣計量的發(fā)展趨勢
1 前言
21世紀為天然氣的世紀, 天然氣是優(yōu)質(zhì)的燃料和化工原料。它廣泛用于玻璃制品生產(chǎn), 發(fā)電, 氮肥生產(chǎn), 城市燃氣, 是一種理想的清潔能源, 是的重要能源命脈之一, 在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有重要的地位。隨著社會的進步, 人們活動的活躍, 能源面臨著越來越短缺, 因此合理利用能源, 有效開展節(jié)約能源的課題就擺在人們面前, 就天然氣來講, 通過的計量, 是減少天然氣浪費的有效途徑之一。
2 渦輪流量計與超聲波流量計的工作原理
2.1 渦輪流量計
渦輪流量計由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。
被測流體沖擊渦輪葉片, 使渦輪旋轉(zhuǎn), 渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化, 即流量大, 渦輪的轉(zhuǎn)速也大, 再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖, 經(jīng)前置放大器放大后, 送入顯示儀表進行計數(shù)和顯示, 根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。
渦輪變送器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動, 并沖擊渦輪葉片時, 便有與流量qv、流速V和流體密度ρ乘積成比例的力作用在葉片上, 推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時, 葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線, 改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動的電勢信號, 此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比。
渦輪變送器輸出的脈沖信號, 經(jīng)前置于放大器放大后, 送入顯示儀表, 就可以實現(xiàn)流量的測量。
2.2 超聲流量計
其工作原理——超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速, 從而換算成流量。
超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)3部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量, 并將其發(fā)射到被測流體中, 接收器接收到的超聲波信號, 經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號, 供給顯示和積算儀表進行顯示和積算, 這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。
3 渦輪流量計、超聲波流量計優(yōu)、缺點比較及應(yīng)用中需注意的問題
3.1 優(yōu)、缺點比較
渦輪流量計優(yōu)點:
(1) 精度高, 在所有流量計儀表中屬于***的流量儀表;
(2) 重復(fù)性好;
(3) 無零點漂移, 抗干擾性好;
(4) 測量范圍度寬;
(5) 結(jié)構(gòu)緊湊。
缺點:
(1) 不能長期保持校準特性;
(2) 流體物性對流量特性影響較大
超聲波流量計優(yōu)點:
(1) 檢測件是一段無阻礙物的圓管, 結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件、無壓力損失并且免維護。
(2) 適用的流量范圍大 (量程比寬為40:1, ***高可達100:1) 。
(3) 度高 (≤±0·5%) , 重復(fù)性好, 線性好。
(4) 具有雙向測量功能, 且雙向測量的準確度相同。
(5) 有強大的自檢和自診斷功能。
缺點:
(1) 在傳播時間法時, 只能用于清潔液體和氣體, 而在多普勒法時, 測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體;
(2) 多普勒法測量精度不高。
(3) 現(xiàn)場應(yīng)用較少
3.2 運用過程中需要注意的問題
為了保障渦輪流量計的正常運行, 在其運用的歷程中應(yīng)注重以下幾個問題:
3.2.1 渦輪流量計對被測介質(zhì)有嚴厲的請求
(1) 渦輪流量計個別只用于計量低粘度的單相流體。
(2) 用渦輪流量計計量的介質(zhì)流體應(yīng)處于紊流狀況。
(3) 目前大多數(shù)渦輪流量計的軸承為球體軸承, 因而對被測介質(zhì)的干凈度有很高的請求。
3.2.2 渦輪流量計口徑的抉擇應(yīng)注重的問題
在抉擇渦輪流量計的口徑時, 應(yīng)使介質(zhì)的工況流量在流量計測量規(guī)模的15%—70%之間。當(dāng)被測介質(zhì)流量處于所選流量計測量規(guī)模的15%以下時, 介質(zhì)流體在管道中流速遲緩處于層流狀況, 流量計的測量線性變差, 難以到達請求的計量精度。當(dāng)介質(zhì)工況流量大于所抉擇流量計測量規(guī)模的70%時, 渦輪轉(zhuǎn)速將變的很大, 減速軸承和支架的磨損, 影響渦輪流量計的運用壽命。
3.2.3 渦輪流量計在裝置中應(yīng)注重的問題
(1) 介質(zhì)流體流速散布不平均和旋渦流是影響渦輪流量計測量精度的重要起因, 要清除流速不平均和旋渦流則須要在渦輪流量計前端有足夠長的直管段。
(2) 渦輪流量計的裝置點不能有激烈的機械震驚和強的電磁攪擾。
(3) 渦輪流量計在裝置方法上能夠是程度、傾斜、垂直裝置, 隨裝置方法的不同, 若要想取得高精度的測量, 必需采取程度裝置。
3.2.4 培修和校驗應(yīng)注重的問題
(1) 渦輪流量計是拆卸周密的精細儀表, 改換配件或是從新拆卸后都會引起儀表系數(shù)的變更, 因而為保障測量的精度在改換配件或是從新拆卸后都應(yīng)從新校驗并更改儀表系數(shù)。
(2) 渦輪流量計隨運行的時光增加或改換部件其儀表系數(shù)會發(fā)作轉(zhuǎn)變, 因而必須要對渦輪流量計進行校驗。
3.3 超聲波流量計量在應(yīng)用中, 需要注意以下幾個方面的問題
3.3.1 正確的選擇
這是超聲波流量計能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng), 或會造成流量無法測量, 或者用戶使用不便等后果。
3.3.2 合理的安裝
換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個問題。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外, 尤其要注意換能器盡量避開有變頻器、電焊機等污染電影的場合。
3.3.3 及時核對
對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計數(shù)量大。范圍廣的用戶, 可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計, 用于核校現(xiàn)場儀表的情況。
3.4 二次儀表、色譜分析儀對渦輪流量計、超聲波流量計的影響
由于天然氣是一種可壓縮性流體, 作為一次檢測儀表的流量計本身僅僅能夠檢測工況下的氣體體積量, 無法給出統(tǒng)一狀態(tài)下的氣體體積量, 給天然氣的計量帶來很大的不便。為了更準確的計量, 必須有一種可以在線檢測氣體的溫度、壓力和流量信號, 并進行壓縮因子自動修正和流量自動跟蹤補償, 將工況體積量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)體積量的儀器, 在這種背景下就產(chǎn)生了體積修正儀, 也就是天然氣計量的二次儀表。
體積修正儀主要用來在線檢測氣體的溫度、壓力、流量等信號, 并進行壓縮因子自動修正和流量自動跟蹤補償, 將工況體積量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)體積量的儀表[1]。
由于體積修正儀作為天然氣流量計量的二次儀表, 其精度在很大程度上受流量檢測元件 (一般為渦輪流量計) 的限制。目前絕大多數(shù)的天然氣公司在天然氣到達用戶時都采用在調(diào)壓器后安裝渦輪流量計, 這樣做的好處是防止管道壓力變化對計量結(jié)果產(chǎn)生影響, 可以使計量更加準確。
在天然氣計量交接過程中, 為實現(xiàn)交接的統(tǒng)一和使用方便, 使數(shù)據(jù)具有可比性, 需要計量標況下的流量, 而在工況和標況之間轉(zhuǎn)換時除了受溫度和壓力的影響外, 壓縮因子也會產(chǎn)生一定的影響, 目前場站超聲流量計計量用到的氣體組分主要通過在線氣相色譜儀實時檢測得到的。
而色譜法是利用混合物中各組分的不同的物理或化學(xué)性質(zhì)達到分離的目的。分離后的組分可以進行定性或定量分析, 有時分離和測定同時進行, 有時先分離后測定。
色譜分析儀的目的, 在于分析外輸天然氣的組分, 提供給流量計算機補償, 以獲取流經(jīng)流量計的準確體積流量, 可以采取定期使用化驗室的色譜分析儀對天然氣組分進行分析, 使其計量數(shù)據(jù)更加準確。
4 未來發(fā)展趨勢
隨著中國加入WTO, 外資企業(yè)不斷進人我國天然氣市場以及引進國外天然氣的可能性、天然氣計量與國際接軌即將成為面對面的現(xiàn)實[4], 其計量觀念與發(fā)展趨勢也將由此而發(fā)生系列變化。分析表明, 下一步我國天然氣計量將向以下七方面發(fā)展:
(1) 計量方式向自動化、智能化、遠程化計量方式發(fā)展
由于電子技術(shù)、計算機以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 天然氣計量已逐步向在線、實時、智能靠近, 同時依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠程化通訊、控制和管理。
(2) 檢定方式、量值溯源從靜態(tài)單參數(shù)向動態(tài)多參數(shù)溯源發(fā)展
過去流量計檢定方式通常采用檢定靜態(tài)單參數(shù)方法, 隨著國內(nèi)國外實流檢定技術(shù)的成熟, 天然氣流量量值溯源正逐步向?qū)嵙鳈z定方向發(fā)展, 即以實際天然氣介質(zhì)、在接近實際現(xiàn)場工況等條件下對流量的分參數(shù)如壓力、溫度、氣質(zhì)組分和流量總量進行動態(tài)量值溯源。
(3) 儀表選型從單一儀表向多元化儀表發(fā)展
過去流量儀表選型比較單一, 近幾年隨著對流量計的研究和開發(fā), 不同的流量計有不同的特點和適應(yīng)范圍, 流量儀表選型由此呈現(xiàn)從單一儀表向多元化儀表方向發(fā)展。
(4) 計量標準由單一標準向多重標準發(fā)展
我國天然氣計量標準不斷發(fā)展、豐富和完善, 結(jié)合國外標準后我國流量計量標準已基本構(gòu)成完整的體系, 正逐步由單一標準向多重標準發(fā)展。
(5) 計量方式從體積計量向能量計量發(fā)展
我國天然氣貿(mào)易計量方法是在法定的質(zhì)量指標下按體積計量。隨著市場經(jīng)濟的不斷完善, 要求我國天然氣貿(mào)易計量方法盡快與國際接軌, 有關(guān)天然氣能量計量成為發(fā)展趨勢。
(6) 單一數(shù)據(jù)管理向計量系統(tǒng)管理方向發(fā)展
單一數(shù)據(jù)管理具有諸多缺點。計算機技術(shù)的發(fā)展給天然氣計量系統(tǒng)管理創(chuàng)造了良好的條件。天然氣計量管理從影響測量結(jié)果的各個方面、各個環(huán)節(jié)進行全過程的、動態(tài)的、科學(xué)管理。
(7) 計量管理從事后計量糾紛解釋向事前過程管理發(fā)展隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展, 人們越來越重視天然氣計量。因此, 人們對天然氣計量在管理觀念上正發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變, 不僅對現(xiàn)場計量器具的使用及相應(yīng)人員進行管理, 并從事后計量糾紛解釋向加強事前儀表采購選型、安裝使用、過程控制、質(zhì)量監(jiān)督、數(shù)據(jù)管理、實流檢定的管理轉(zhuǎn)變和發(fā)展。
5 總結(jié)
隨著天然氣的進一步廣泛利用, 國內(nèi)一些流量計雖然有成熟的標準以及檢測計量技術(shù), 但由于工況條件限制及用戶對燃氣性質(zhì)的認可, 不可避免存在一些問題。因此完善我國的計量方式及采用和借鑒國外的先進的計量方式勢在必行。
