超声流量计性能的工业研究 - 文章

超声流量计性能的工业研究

作者：美国 Terrance A. Grimley

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摘要：在德克萨斯州圣安东尼奥气体研究院的流量计研究装置上对单声道和多声道超声流量计进行了试验，建立基准条件并且对在基准安装条件下和其它的管线安装情况下的性能进行评定。试验的目的是确定8in单声道和多声道流量计在不同的管线安装条件下，以及与1台流束整流器一起使用时它们的性能如何。将试验结果与基准条件下的数据进行比较以做出深入的评估。8in的多声道流量计的试验结果表明，整流器具有改进其测量准确度的功能，这取决于流量计的型式和相对于干扰源的位置。单声道流量计的试验表明，在良好的流场条件下可以获得优于0.5%的准确度。由安装在上游的一个90°弯头说明了流量计对简单的扰流的敏感程度。在这些试验中相对于基准试验安装流量测量误差范围在1%～4%。

一、前言

超声流量计是通过测量超声波脉冲在流体中的传播时间导出气体体积流量的。对于1台超声流量计，由于确定流量准确度是流量计设计和计算方法、上游管道要求的函数，这不同于许多传统的测量方法。

举例，孔板流量计测量流量，对已确定的流出系数的准确度之内，要求对称，无旋涡流。为了得到已公布的流量测量的性能，AGA 3号报告建议了最小的直管段长度、管径的变化、孔板流量计上游的安装要求。当孔板流量计规格（β比）增加，由于减少了流量堵塞，使孔板对速度剖面的整型作用也减小了，其对流体干扰的敏感度也增加了。

涡轮流量计因流体对转子的作用也改进了流动剖面。由于进口流动剖面的改进，使涡轮流量计的性能也得到了改进。由于涡轮流量计对速度剖面的非对称性敏感，为此，AGA7号报告要求涡轮流量计使用整流器以消除进口的流动旋涡。

由于超声波流量计基本上没有影响人口流动的障碍物，流量计不会改变流动剖面，这种流量计根据流量计取得的流动样，依据可靠的计算方法准确地确定流量。

在多声道超声流量计的设计中，制造者尝试对流量计进行优化以降低它们对流动干扰的敏感。如果流量计可以对所有的流动干扰做修正补偿，那么，就可以不用整流器了。然而，由于有少量已发表的有关整流器如何影响多声道超声流量计性能的资料，对整流器与超声流量计联合应用仍有兴趣。根据其它型式的流量计的应用经验，整流器意味着潜在的效益。

作为一个替代多声道流量计的有效益的方案，与价格便宜的单声道超声波流量计一起使用整流器也是有意义的。另外，有少量可靠的试验数据证实了使用整流器的单声道流量计的性能。

这些结果得自第一部分试验，这些试验试图确定8in单声道和多声道超声流量计以不同配管安装和当与1台整流器联合使用的实用经验。这个试验是在试验流量计上游设置一个弯管或两个弯管，并且在流量计加装或不装整流器的情况下运行的。

进一步的试验是打算评估双向流量计测量性能和流量低于流量计能力1%时的流量测量准确度。在流体可以是双向流动的地方，如地下储气设施，计划安装超声流量计的人们对双向测量性能是关注的。

对于一个计量站的安装，需要确定流量计的数量和口径，因为量程比的原因，低流量的测量性能也应关注。

二、试验方法

流量计安装在高压环路（HPL）的测试管段上，试验介质为输送级的天然气。同时收集超声流量计和HPL上的临界流喷嘴组上的数据，它们作为流量标准。

在不同的压力下，5个双加权的音速喷嘴相对于HPL称重罐系统进行现场校准。所有的校准，由1台在线气相色谱仪和 AGA 8号报告状态方程确定气体性质。

与HPL的参比压力相关的静压，在1台流量计下游两倍管径处测量。气体温度在每台流量计下游三倍管径处测量。测量的温度和压力与测得的气体组分和超声流量计测出的气体体积一起被用于计算超声流量计的质量流量，这个质量流量再用来与临界流喷嘴确定的流量进行比较。

根据制造厂选用的方案，超声流量计可以用不同的方法得到体积流量。流量计M3和M4内部的校准方法用来计算总的气体体积和运行期间的时间。然后根据总的量计算平均流量。

流量计M1和M2报告（测量）实际流量，每秒提供一次流量值，确定平均体积流量。单个通道的状态、速度和声速数据也被记录。

典型的测试系统由通过流动环道的可循环气体构成，并达到气体温度和压力稳定，选择和切换不同的音速喷嘴组合确定稳定的流量。一个测试点由流量和其它度量90s周期内计算的平均值组成。一个测试点要重复6次以计算平均值和标准偏差。测量数据同时也由2台涡轮流量计采集。涡轮流量计的数据确认实验的一致性。

用于本次试验的4台流量计由制造厂提供，它们都是可商业化的。在本项目试验前没有做过流量校准。4台流量计有2台多声道的，有2台单声道的。表1给出了流量计声道布置情况。

表1 测试流诅计几何参数

所有流量计制造成统一的法兰至法兰尺寸（31.5in长度）和内径（在0.005in之内）以方便不同安装位置的流量计交换。制造厂家提供了根据专用程序对机械、电子和其它测量的流量计设定参数。在测试的时候，用与流量计的剖面修正参数由制造厂家检查。有关测试条件的特殊参数（用于流量计内部的电子学的流体性质）根据需要每次进行调整。

三、基本测试安装

基本测试的管线安装示于图1。所有的配管由8in内径的40号碳钢管（7.981in内径）制成，内部焊缝磨光。测试的流量计安装在90°长径弯头下游40D（D＝8in）、59D、97D处。弯头的上游安装一个 12in×16in×10in的Sprenkle流束整流器，整流器之后是一个 10in×8in的同心大小头和43D 8in直管段直到弯头。每台流量计可在四个轴向位置中的两个进行测试（见表2）。

表2 流量计在基准条件下的测试位置

对每一台流量计的完整的测试计划，要求在4个位置上都要进行测试。当流量计以一个轴向安装位置移到另一个位置时，上游和下游的直管段（分别是10D和5D）应与流量计一起整体拆卸，以使连接流量计上游和下游的法兰对中。与每一台流量计有关的压力和温度变送器，在流量计位置变换时也应保留在原直管段上以便减少附加误差。

四、基本测试结果

2台多声道流量计（M1和M3）在基准安装条件下的测试性能示于图2和图3。结果以百分误差表示（相对于 MRFHPL临界流喷嘴），其作为通过流量计的平均流速的函数。一个点代表了每个流量下6个重复测量的平均值，误差带表示95%置信水平。

对于流量计M1，在速度大于10ft/s时，所有的数据均落于0.4%范围之内，与速度无关（见图2）。在流速低于10 ft/s时，误差曲线向上偏转，这可能是一个正向的零偏差或者修正算法的偏离引起的，这不能完全认为是低流量下的速度剖面不同所造成的，或许是两种影响的合成。

检查流量计的零流量，指示出零点飘移量为0.01ft/s。如果去掉零飘移，向上的偏转将会被拉平，由于最小的速度点（2.8ft/s）飘移为0.35%而在5.6ft/s的点飘移为0.18%。无论如何，这说明不能认为曲线向上偏转完全是零点飘移引起的。

图2 多声道流量计M1的基本流量测量结果图2 多声道流量计M1的基本流量测量结果

检查流量较准曲线，显示出当流量计安装在97D处和安装在59D处测量的误差之间有大约0.2%的差值。在97D处的误差比59D处的误差数值大（更向负方向）。类似的测量误差也存在于 400 lb/in2（A）和 900lb/in2（A）的测试情况之中。

流量计M3的测量误差与流经流量计的速度有关，示于图3。这台流量计测量误差的非线性特征不同于先前在MRF（Grimly）和其它地方（Van Bloemendaal和Van der Kam完成）做过的12in流量计的类似的实验所观察的结果。只有流量计安装在59D处，在压力400 lb/in2（A）状态下收集到的数据，平均流速还在10ft/s以上时，误差落在0.3%范围之内，当速度增大时误差曲线向下倾斜。

在59D、400 lb/in2（A）数据组中，个别声道状态信息表明，这是因为被测量的传播时间不能通过内一致性检查。这可能就是与其它数据组有偏差的原因。

数据，包括可疑的数据组，在速度10 ft/s以上时，保持在0.5%误差以内，这些数据也表明，当压力从400 lb/in2（A）增到900 lb/in2（A）时流量测量差值为0.2%。当流量计在 59D与 97D处比较，压力在900 lb/in2（A）时的现量结果差值为0.1%。

对于该差值的可能解释是，在59D以后速度剖面继续发展。通过单个声道速度比的比较，可以看出速度剖面形状改善。表3表示的是流量计M1在最大流量点，中心声道速度（超声声道在管线轴中心线）对外部声道速度的比值。流量计M3的类似的计算值示于表4。由于流量计具有唯一的声道位置，对于不同的流量计型式不应该进行比较。

然而，2台流量计在59D和97D的试验结果之间存在着一致性的差别。59D试验数据的较小比值说明了该处的速度剖面比97D处的速度剖面具有较小的弧度。流量计的响应性的差别也会有一个剖面灵敏性的结果。对速度剖面进行测量的目的是更好地特性化在基准安装条件下的速度剖面。

表3 M1中心到外部的速度

表4 M3中心声道到外部声道的速度比

单声道流量计M2（见图4）安装在78D处时有大约-1.2%的偏移；安装在40D处有大约-1.8%的偏移，这台流量计的结果说明，在流量测量中的误差值与压力无关，但与轴向位置有关。单声道流量计M4在两个轴向位置和两个操作压力的测试误差曲线表示于图5中。曲线表明有一个0.5%的平均偏差，这也表明，在线压力比90°弯头和流量计之间的距离对测量结果影响更大。

图4 单声道流量计M2的基本测量结果图5 单声道流量计M4的基本流量测量结果

误差曲线表明了速度在10ft/s以下，在400 lb/in2 (A)、78D处的数据大的偏差与其它结果的不一致性。通常，单声道流量计的测量数据比多声道流量计测量的数据更分散。由于这种流量计不具有多声道超声流量计平均气流的优点，这个分散是不奇怪的。单声道流量计的这一特性在流量低于10ft/s时尤为明显。

五、安装对测试的影响

到目前已经实施的影响测试的安装工艺示于图6。单声道流量计在两个不同的位置1和2（一个单90°长径L形弯管下游10D和19D）进行测试。多声道流量计在两个平面布置的弯头下游，在位置3和4（第二个L形弯管下游10D和19D处）进行测试。

测试管线为裸管，在位置3和4上游安装有2台不同的流束整流器。第一台流量计位于整流器出口下游5D处，这符合AGA 7号报告对涡轮流量计安装的最低要求。另外，多声道流量计的测试中，两个平面弯头的布置是与管道成水平方向设置的。由于这种布置代表着一种安装形式，即弯头提供了一个竖直的偏移，故流量计要旋转90°以保持其测量声道与流动干扰的相对正确方位。

图6 初期用于上游流量影响测试的管线布置

六、安装对测试结果的影响

这些结果以与基准条件下的测试结果的偏差形式报告出来。

对于多声道流量计M1和M3，流量计安装在单90°弯管下游97D处取得的数据结果代表基准条件下的测试结果。单声道流量计M2和M4，流量计安装在90°弯管下游78D处，取得的结果用于基准条件下的测试结果。基准条件下的测试结果是一个最接近优化的工艺安装所能得到的结果。

多声道流量计M1在两个平面弯头下游10D处测试的结果示于图7。测试结果表明，裸管安装产生的测量误差在基本测量结果的0.5%范围之内，相对误差在0.3%～0.5%量级。相对误差出现在高气体流速情况。流量计安装在第二个弯管下游10D处，配备有19管束整流器和GFC型整流器的测试结果没有明显的差别。在速度20ft/s以上，两种整流器降低相对误差至少到0.25%。

对于速度20ft/s以下，所有的结果趋于收敛，这表明流量计要么是对安装布置产生的速度剖面敏感，要么是在这个速度范围内的速度剖面影响没有明显的差别。所计划的速度剖面的测定将有助于解释这些结果，它也将进一步对已经收集的与单一声道速度比有关的数据进行解释。

安装在两个平面弯头下游19D的流量计M1的测试结果示于图8。裸管和19管束整流器的结果相对测量误差都约为0.5%。当流量计安装在弯管下游19D处裸管测量的误差比流量计安装在10D处的误差稍微大一些，在10ft/s速度以上，与GFC一起安装的测量结果与基准条件下的测试结果相比较在0.l%之内。另外，低流速时，测量结果收敛。

安装在双弯头下游的多声道流量计M3的测试结果（见图9）表明，对于裸管，当速度大于20ft/s，M3的误差小于0.25%。19管束整流器和GFC整流器结果将裸管的测量结果包括在内，具有-0.30%～25%的差值。相对误差随着流动速度的变化是由在97D、400 lb/in2（A）处基准条件下的测试数据（见图3）的弧度引起的。

由安装在19D处的流量计M3测试的裸管安装条件下的结果示于图10中，与10D位置的流量计数据相比偏移了大约0.2%，并且在20 ft/s速度以上，仍保持在基本测试结果的 0.25%之内。除了最高流速以外，19管束整流器的数据接近一致。对于气流速度45 ft/s以上，GFC产生的测量误差比19管束整流器和裸管更接近于基准安装条件下的误差。

由图7至图10的测试结果表明，对多声道超声流量计使用整流器有一定益处，这取决于流量计的型式和位置。上面有些情况相对于基准条件下的测试误差偏移会引起这样的绝对误差，这些绝对误差实际上比基准条件下的结果更接近于零误差。这个结果是由意外引起的还是流量计研究中因不够理想的速度剖面引起的尚不清楚。

在一个90°长径弯管下游10D和19D处安装的单声道流量计的测试结果示于图11。测量结果表明误差偏移相对于安装在90°弯头下游78D处的基准条件下的测试误差约2%～2.2%。流量计绕轴线旋转90°产生的附加误差偏移为1.3%。

因为在这一例子中，单声道流量计以其正常方位安装，它的声道与垂直方向成30o，很可能与流量计的安装方位有关。在这种安装中，流动的非对称主要分量在垂直平面内，当流量计旋转90°时，相对于流动干扰的声道方位发生了变化。

安装在弯头下游19D的流量计M4除了90°位置外，相对于基准条件下的偏移约为1.5%～2%，结果示于图12。由于测量声道与垂直方向成45o应该是这一原因，这台流量计的测试结果说明与其位置基本无关。在这种情况，尽管当流量计机体的轴中心发生偏转，声道位置相对于流动干扰仍保持一致。

七、结论

基准条件下的测试说明，在一个长径90°弯头下游59D处流体速度剖面没有充分发展，测试的流量计对随后的发展中的速度剖面敏感。这表明测试的8in流量计的准确度可以通过流量校准得以改善。

8in的多声道流量计的测试结果表明，使用整流器对改进测量准确度具有潜在好处。

单声道流量计测试表明其具有潜能，在流场条件好的情况下，可以获得优于0.5%的测量准确度。通过安装在一个单个的90°弯头下游10D和19D处的流量计的测试说明流量计对一个简单的扰流的敏感度。相对于基准条件下的测试，流量测量误差范围为1%～4%。

实验测试结果只是一个大的测试计划的初步，对取得的数据和来自这个测试计划其它的试验资料进行更加深人的分析，将获得有关超声流量计在高压天然气中应用性能的新认识。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/2/2007)


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