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使用外夾式超聲波流量計進行管道高含硫天然氣計量的研究

時間:2018-09-06 14:59 來源:http://www.zppyue.icu/ 點擊數:

本文闡述了外夾式超聲波流量計計量高含硫天然氣過程中,利用噪聲跟蹤方法及測量方法對計量進行優化,解決了因 為氣質、組分、安裝形成的噪聲對天然氣計量帶來的誤差,提高了計量的精度與穩定性。

1.計量原理、背景及意義

高含硫天然氣在地面管道的儲運過程中由于管道內附 硫及雜質較多,介質呈現多相流狀態,其計量方法一直是一 個國際難題。與傳統的孔板、渦輪等流量計量方式相比,外 夾式超聲流量計具有計量精度高、受氣質條件影響小、無安 全隱患、不產生節流、壓損等優勢,適于高含硫天然氣計量。

外夾式超聲波流量計測量原理和普通超聲波流量計一 致,是利用超聲波信號來測量流體流速,換算出流量的速度 式流量儀表。其特點是在管道上外夾安裝,與介質不接觸, 不受介質影響,無需切斷工藝管道,無泄漏隱患,方便安全。

基于超聲波流量計工作原理是超聲波在介質中傳播速 度之差來計量流速。超聲波在介質中傳播時間是流量計進行 流量計算的主要參數之一,超聲換能器對超聲波的收發決定 了傳播時間測量的準確性。在測量高含硫天然氣過程中,超 聲波在兩種介質中傳播的聲速有很大差異,衰減程度也不同, 導致換能器通過收發超聲波計算其傳播時間出現干擾,信號 紊亂,影響測量準確性。為保證超聲流量計能夠準確測量, 主要從三個方面進行控制:噪聲數字信號處理、選擇正確安 裝位置和正確選型。本文主要提出了利用噪聲跟蹤的方法, 并結合外夾式超聲波流量計的安裝位置和選型等從三個方 面優化超聲波流量計計量過程中的聲波信號,根據聲波在不 同介質中傳播的聲速和衰減程度變化進行修正統計。

2.聲波信號的準確獲取與噪聲跟蹤

2.1噪聲跟蹤進行修正

測量多相流時,由于天然氣聲波信號會受到各種因素的 干擾,因此進行噪聲跟蹤對聲波信號進行優化與剔除處理。 本文選用FLEXIM型號為G608的兩臺外夾式超聲波流量計進 行了噪聲跟蹤法優化測量混相流的對比實驗,利用噪聲跟蹤 將噪聲信號剔除,消除噪聲影響,實現準確測量,見下圖。

實驗采用兩臺超聲波流量計同時測量管徑為413mm 的同根管段,測量介質為標準天然氣,一臺采用了噪聲跟蹤 法,另一臺沒有采用此方法。在時間軸2.40分,在測量點 上游持續加入約10%的液體及固體顆粒,圖A)中沒有采 用噪聲跟蹤法的超聲波信號質量出現紊亂,信噪比跌到0 dB 無法進行測量。圖B)中采用了噪聲跟蹤法持續保持了信 號的穩定,信噪比保持在40 dB以上,和現場儀表進行了 比對數據吻合,實現了準確測量。

2.1.1時間到達差異的修正

處于多相流狀態液體小于10%時,在測量數據中會出 現一些離散值。針對這一結果采用數理統計的Grabbs 剔除其中的離散值后再求平均值,使計算值更接近實際值。

2.1. 2聲道角變化影響的修正

根據斯那爾Snall)定律式,聲道角e隨流體中聲速c 的變化而變化,而e又是超聲波在流體傳播中傳播時間的重 要函數,因此,必須對e角進行自動跟蹤修正,以達到傳播 時間補償的目的。

2.2正確的安裝位置及方法

正確選擇測量點,是減少附加比對測試誤差的前提條件。 為此必須做到以下兩點:一是測量點應選擇在管道上游10 倍以上、下游5倍以上管徑長度的直管段上測量點處應無 焊縫、無振動及無電磁干擾源等;二是由流量計安裝單位提 供詳盡的測試管道設計參數,現場用卡尺或鋼卷尺和超聲波 測厚儀對管道外徑及壁厚進行復核,為減小誤差,管道外徑 及壁厚應進行多點測量后取其平均值。

對換能器安裝方法的選擇原則一般是:當流體沿管軸 線平行流動時,對大管徑測量,采用Z型安裝,以增強接 收信號的強度;對小口徑管道來說,采用V型或W型安 裝,以增加聲程。當流動方向與管鈾線不平行時,采用X法。 當流場分布不均勻而表前直管段又較短時,可采用多聲道來 克服流速擾動帶來的流量測量誤差。單通道流量計是按氣體 通過管道的流速差,用修正系數修正氣體的流速。多通道流 量計使用多對傳感器,在管道內的不同區域取得氣體流速, 再確定出真正的平均流速。一些多通道的流量計設計有測量 非軸線流分量的通道,只要使用非同一平面內的結構形式, 最后可達到修正補償。

2.3正確的選型

在一般流速下超聲波在不同介質中的傳播時間差只有 幾百納秒隨管徑的不同而不同),所以設備響應必須在 80ms以下,才能保證有較高的測量精度,同時設備必需具 有雙通道功能,流量計計算機需內置雙高速處理器,第一處 理器連續高速采樣測量(頻率1000 Hz),原始數據保存在傳 感器緩存中,由第二處理器設定測量過程及分析原始數據, 剔除無效的原始數據。高速采樣和自適應信號處理技術,才 能確保測量精確穩定。


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