上游溫度套管對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)量性能的影響及其對(duì)策

蔡浩暉

國家石油天然氣大流量計(jì)量站 烏魯木齊分站（新疆 昌吉831113）

超聲流量計(jì)無可動(dòng)部件，具有壓力損失小、測(cè)量準(zhǔn)確度較高、流量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，無須進(jìn)行工藝調(diào)整就可以完成雙向測(cè)量。因此，儲(chǔ)氣庫一般選用超聲流量計(jì)雙向計(jì)量天然氣流量[1-3]。為節(jié)省投資和方便管理，我國的儲(chǔ)氣庫進(jìn)出庫天然氣計(jì)量一般都用同一套計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行注入和采出雙向計(jì)量，一段時(shí)間正向運(yùn)行，一段時(shí)間反向運(yùn)行，正向運(yùn)行和反向運(yùn)行對(duì)超聲流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)而言，不同之處在于正向運(yùn)行時(shí)溫度變送器在流量計(jì)的下游，反向運(yùn)行時(shí)在流量計(jì)的上游，溫度變送器需要配溫度套管，GB∕T 18604—2014《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》規(guī)定：“如果超聲流量計(jì)用于雙向計(jì)量，測(cè)溫孔應(yīng)設(shè)在距流量計(jì)法蘭端面3～5D（D為管道內(nèi)徑）之間。插入深度為1∕3D，對(duì)于大口徑流量計(jì)（DN300及以上），插入深度不超過125 mm”[4]。對(duì)于超聲流量計(jì)安裝條件而言，溫度套管相當(dāng)于管道凸入物，會(huì)增加渦流、漩渦脫落等，引起管道內(nèi)流場(chǎng)剖面發(fā)生變化，超聲流量計(jì)的測(cè)量性能對(duì)流場(chǎng)剖面很敏感。通過實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)上游溫度套管，對(duì)某些類型的超聲流量計(jì)的測(cè)量性能影響在0.5%左右，對(duì)準(zhǔn)確度為1%的流量計(jì)而言，是不可忽略的，對(duì)于計(jì)量交接相關(guān)方是不可接受的，需要深入研究，探討對(duì)策。

1 上游溫度套管對(duì)超聲流量計(jì)的影響

不同的安裝條件會(huì)造成超聲流量計(jì)測(cè)量性能發(fā)生變化，國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、數(shù)值仿真以及實(shí)流測(cè)試等方法對(duì)安裝條件帶來的影響進(jìn)行了大量的研究，研究了超聲流量計(jì)聲道安裝位置、換能器安裝角度，超聲流量計(jì)對(duì)流體形態(tài)的適應(yīng)性和非理想流暢對(duì)流量計(jì)測(cè)量性能的影響等[5-12]，以及管壁粗糙度對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)量性能的影響[13]，但基本上沒有上游管道凸入物對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)量性能影響的研究。JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定：“對(duì)于雙向測(cè)量的流量計(jì)，溫度測(cè)量位置應(yīng)設(shè)在距離流量計(jì)至少5D處”[14]。與GB∕T 18604—2014相比，溫度測(cè)量位置要求離流量計(jì)更遠(yuǎn)，以減小上游溫度套管對(duì)流量計(jì)測(cè)量性能的影響。ISO 17089-1—2010《封閉管道中的流體流量測(cè)量－氣體超聲流量計(jì)第一部分：用于貿(mào)易交接和分配計(jì)量的流量計(jì)》[15]采用1條管路安裝2臺(tái)流量計(jì)，溫度變送器安裝在中間，正反向計(jì)量分別有各自的主流量計(jì)，如圖1。這種方法可以有效避免上游溫度變送器對(duì)流量計(jì)測(cè)量性能的影響，是可以借鑒的，但這種方法增加了成本。AGA9號(hào)報(bào)告《利用多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》建議：“在雙向流應(yīng)用中，如果流動(dòng)主要發(fā)生在一個(gè)方向上，那么建議在超聲流量計(jì)主方向的下游設(shè)置溫度測(cè)量裝置。無需在超聲流量計(jì)的上游安裝溫度測(cè)量裝置，用于反向流量測(cè)量?！睆?qiáng)調(diào)了主方向的計(jì)量，弱化了反向計(jì)量。

圖1 雙向計(jì)量超聲流量計(jì)安裝圖

高壓天然氣管道的溫度檢測(cè)一般采用與介質(zhì)非接觸式，配套使用溫度保護(hù)套管。溫度保護(hù)套管相當(dāng)于垂直于管道軸線的柱體，如圖2。

流體流過溫度套管相當(dāng)于繞柱流動(dòng)，繞過柱體的流速分布是一個(gè)冪級(jí)函數(shù)，在壁面處產(chǎn)生回流，柱體下游形成較寬的尾流，從而影響流場(chǎng)[16]。，管道中的高壓天然氣流過插入管道中的溫度保護(hù)套管時(shí)，會(huì)在套管后部產(chǎn)生漩渦，漩渦沿套管兩邊以交替脫落，交替脫落的漩渦直接對(duì)套管產(chǎn)生橫向力，此時(shí)套管被迫以斯特勞哈爾（Strouhal）頻率振動(dòng)。這是溫度保護(hù)套管產(chǎn)生振動(dòng)并斷裂的主要原因，也是流場(chǎng)剖面發(fā)生變化的主要原因，如圖3和圖4。從圖4的仿真結(jié)果可以看出套管附近流速明顯增大。

圖2 溫度套管示意圖

圖3 溫度套管下游大卡門渦流圖

圖4 套管附近流速分布

超聲流量計(jì)是通過測(cè)量固定位置上各聲道的流速，再通過各自特定的加權(quán)計(jì)算得到平均流速，乘以超聲流量計(jì)截面積得到平均流量，管道內(nèi)流體狀態(tài)分布的不同，必然會(huì)影響超聲流量計(jì)各聲道流速的測(cè)量，進(jìn)而可能影響平均流量。目前常見的有3種類型的超聲流量計(jì)，按聲道布置方式，分為反射式、四聲道對(duì)射式、六聲道對(duì)射式，均為多聲道超聲波氣體流量計(jì)。不同類型流量計(jì)的聲道位置不同、聲道流速不同，受上游溫度套管的影響也不同。

1.1 反射式超聲流量計(jì)

反射式流量計(jì)分為六聲道和四聲道反射式超聲流量計(jì)，其中六聲道布置如圖5所示。

其中第1、2、5、6路是雙反射聲道，其聲道流速加權(quán)系數(shù)均為0.212 5，第3、4路是單反射聲道，其聲道流速加權(quán)系數(shù)均為0.075。四聲道反射式超聲流量計(jì)沒有第5路和第6路雙反射聲道，第1、2聲道的流速加權(quán)系數(shù)均為0.425，第3、4路的聲道布置方式和聲道流速加權(quán)系數(shù)與四聲道超聲流量計(jì)一樣。

圖5 六聲道反射式超聲流量計(jì)布置形式

從圖5可以看出，4個(gè)雙反射聲道的流速合計(jì)權(quán)重為0.85，每個(gè)雙反射聲道中的3條折射聲道有2條受溫度套管引起的流場(chǎng)變化的影響，所以上游溫度套管對(duì)A類型流量計(jì)的測(cè)量性能影響最大。

1.2 四聲道對(duì)射式超聲流量計(jì)

四聲道對(duì)射式的超聲流量計(jì)聲道布置形式如圖6所示。

圖6 四聲道對(duì)射式超聲流量計(jì)布置形式

其中，B弦和C弦聲道立管中心較近，其流速加權(quán)系數(shù)均為0.361 8，A弦和D弦聲道離管中心較遠(yuǎn)，其流速加權(quán)系數(shù)均為0.183 2。

從圖6可以看出，A弦在上游溫度套管流場(chǎng)變化范圍內(nèi)，A聲道流速受影響大，其余聲道影響小，且A弦的流速加權(quán)系數(shù)為0.183 2，權(quán)重較低，故上游溫度套管流場(chǎng)變化對(duì)四聲道對(duì)射式的超聲流量計(jì)的測(cè)量性能影響最小。

1.3 六聲道對(duì)射式超聲流量計(jì)

六聲道對(duì)射式超聲流量計(jì)的6個(gè)聲道分3層布置，每層2個(gè)聲道，聲道布置形式如圖7所示。

其中，level1和level3聲道相對(duì)管中心對(duì)稱，這兩層的4個(gè)聲道的流速加權(quán)系數(shù)均為0.125。過中心線的level2的2個(gè)聲道的流速加權(quán)系數(shù)均為0.25。

從圖7可以看出，level1的2個(gè)聲道在上游溫度套管流場(chǎng)變化范圍內(nèi)，level1聲道流速受影響大，其余聲道影響小，level1的2個(gè)聲道的流速合計(jì)權(quán)重為0.25，上游溫度套管流場(chǎng)變化對(duì)六聲道對(duì)射式的超聲流量計(jì)的測(cè)量性能影響介于上述兩種類型流量計(jì)之間。

圖7 六聲道對(duì)射式超生流量計(jì)布置形式

2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

2.1 六聲道對(duì)射式DN300超聲流量計(jì)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

對(duì)1臺(tái)六聲道對(duì)射式DN300超聲流量計(jì)分別進(jìn)行了溫度套管安裝在流量計(jì)上游和下游的實(shí)測(cè)，溫度套管安裝在流量計(jì)距離5D處，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 六聲道對(duì)射式DN300超聲流量計(jì)測(cè)試結(jié)果

由表1可知，當(dāng)流量計(jì)上游安裝溫度套管，流量計(jì)計(jì)量結(jié)果相比溫度套管安裝在下游偏大0.5%左右，對(duì)計(jì)量結(jié)果影響較大。

流量計(jì)上游5D處增加溫度套管后，流場(chǎng)發(fā)生了較大變化，相比流量計(jì)上游沒有溫度套管的情況，邊聲道5、6的流速變化較小，中心聲道3、4的流速變小0.4%左右，邊聲道1、2的流速變大2.8%左右，隨著流量的增大，流場(chǎng)變化趨向混亂。第3、4聲道流速權(quán)重系數(shù)均為0.25，對(duì)計(jì)量的影響量是-0.2%左右，1、2聲道流速權(quán)重系數(shù)均為0.125，對(duì)計(jì)量的影響量是0.7%左右，合計(jì)影響0.5%左右，詳見表2。從圖8可以直觀看到第1、2聲道溫度套管在上下游安裝條件下的變化。

表2 上游溫度套管對(duì)六聲道對(duì)射式DN300流量計(jì)的影響

圖8 溫度套管在上下游的聲道流速影響圖

2.2 四聲道對(duì)射式DN200超聲流量計(jì)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

對(duì)1臺(tái)四聲道對(duì)射式DN200超聲流量計(jì)分別進(jìn)行了溫度套管安裝在流量計(jì)上游和下游的實(shí)測(cè)，溫度套管安裝在流量計(jì)上游12.5D處，測(cè)試結(jié)果見表3。

從表3可以看出，溫度套管安裝在上游時(shí)，靠近溫度套管的流量計(jì)邊聲道流速偏大2%以上，導(dǎo)致流量計(jì)整體誤差偏大0.2%以上，溫度套管安裝在流量計(jì)上游12.5D處，依然會(huì)對(duì)流量計(jì)測(cè)量性能造成不可忽視的影響。

表3 上游溫度套管對(duì)四聲道對(duì)射式DN200流量計(jì)的影響

對(duì)于雙向計(jì)量的超聲流量計(jì)，溫度套管安裝在上游5～12.5D時(shí)，會(huì)造成對(duì)射式多聲道超聲流量計(jì)的計(jì)量值偏大0.2%～0.5%（反射式超聲流量計(jì)還沒有實(shí)測(cè)驗(yàn)證）。不滿足JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》[14]中“所用溫度計(jì)的測(cè)量誤差對(duì)檢定結(jié)果造成的影響應(yīng)在流量計(jì)最大允許誤差的1∕5以內(nèi)”的要求，建議溫度套管在上游時(shí)，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)的安裝條件需與現(xiàn)場(chǎng)使用安裝條件相似，以保證計(jì)量相關(guān)方的利益。有必要修訂GB∕T 18604—2014《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》[4]中流量計(jì)雙向計(jì)量時(shí)的溫度套管安裝要求。

3 結(jié)論

1）上游溫度套管會(huì)造成管道內(nèi)流體剖面發(fā)生變化，進(jìn)而影響超聲流量計(jì)的測(cè)量性能。

2）溫度套管安裝在上游5～12.5D時(shí)，會(huì)造成對(duì)射式多聲道超聲流量計(jì)的計(jì)量值偏大0.2%～0.5%。

3）有必要修訂GB∕T 18604—2014中超聲流量計(jì)雙向計(jì)量時(shí)的溫度套管安裝要求。

4）建議參照ISO 17089-1—2010中的要求設(shè)計(jì)雙向計(jì)量超聲流量計(jì)。

5）建議以現(xiàn)場(chǎng)安裝條件相似的上游溫度套管安裝方式對(duì)流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。