外夾式超聲波流量計(jì)在高酸氣田關(guān)鍵技術(shù)的分析

高酸氣田天然氣組分中H2S的平均含量較高，對(duì)高級(jí)孔板閥、設(shè)備管材有著極強(qiáng)的腐蝕性，且單質(zhì)硫及殘酸等雜質(zhì)沉積經(jīng)常堵塞高級(jí)孔板閥和孔板流量計(jì)引壓管線，直接導(dǎo)致孔板流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)，嚴(yán)重影響氣田的經(jīng)濟(jì)效益。另外頻繁的解堵清洗工作量巨大，不僅影響計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，減少了設(shè)備的使用壽命，還增加了人員暴露于危險(xiǎn)場所的時(shí)間，加大了H2S中毒的風(fēng)險(xiǎn)。因此，筆者提出一種將外夾式超聲波流量計(jì)應(yīng)用在高酸氣田的方式。針對(duì)該方式在夾持方式、抗噪膜應(yīng)用和AGA8補(bǔ)償優(yōu)化方面進(jìn)行了深入的研究，為高酸氣田的精確計(jì)量邁出了嶄新的一步。
    1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的工作原理

    超聲波是頻率大于20kHz超過人類聽力范圍的機(jī)械波。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，在流動(dòng)的流體傳播時(shí)載上流體流速的信息，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)進(jìn)行解析計(jì)算，這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

    時(shí)差法超聲波流量計(jì)利用一對(duì)超聲波換能器相向交替或同時(shí)收發(fā)超聲波，通過檢測超聲波在介質(zhì)中順流和逆流的傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量。

    超聲波流量計(jì)以測量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間和流量的關(guān)系為基本原理。通常認(rèn)為聲波在流體的實(shí)際傳播速度由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度和流體軸向平均流速在聲波傳播方向上的分量組成。按圖1所示，順流和逆流傳播時(shí)間與各變量之間的關(guān)系為：

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    式中  Ct―――聲波在流體中的傳播速度，m/s；

    L―――聲道長度，m；

    tAB―――換能器的相應(yīng)時(shí)間、電路元件造成的延時(shí)等，s；

    tdown―――超聲波在流體中順流傳播的時(shí)間，s；

    tup―――超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)間，s；

    υm―――流體的軸向平均速度，m/s；

    φ―――聲道角。

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圖1 聲波在流體中傳播的通用示意圖

    可利用式（1）、（2）得出順逆流時(shí)間差Δt：

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    其中X為換能器在管線上的間距。液體中聲速要遠(yuǎn)大于液體流速，因此順逆流時(shí)間差Δt≈（2υmX）/C2t，因而流體的流速為υm=C2tΔt/2X。

    將測得的多個(gè)聲道的流體流速υi（i=1，2，3，…，n）利用數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系聯(lián)合起來，可得到管道平均流速的估計(jì)值流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片，乘以過流面積A，即可得到體積流量Qv：

    流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片    （4）

    其中，流量計(jì)信息網(wǎng)內(nèi)容圖片=f（υ1，υ2，υ3，…，vn），n為聲道數(shù)。

    2 超聲波流量計(jì)酸性氣田適應(yīng)性分析

    孔板流量計(jì)特別是高級(jí)孔板流量計(jì)在我國油氣集輸管道應(yīng)用中長期占據(jù)統(tǒng)治地位。隨著天然氣開采事業(yè)的蓬勃發(fā)展，在高壓、高含硫、大流量計(jì)量領(lǐng)域當(dāng)中，孔板流量計(jì)越來越受到自身結(jié)構(gòu)的限制而突顯出其局限性。而超聲波流量計(jì)以其高量程比、高精度及非接觸式等諸多優(yōu)勢已逐漸成為天然氣計(jì)量的主流方式。超聲波流量計(jì)的具體優(yōu)勢如下：

    a.超聲波流量計(jì)是一種非接觸式測量儀表，可用來測量不易接觸、不易觀察的流體流量，不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生壓力損失，滿足硫化氫含量高、壓力高的酸性氣田的計(jì)量要求。

    b.對(duì)介質(zhì)幾乎無要求。滿足高酸氣田測量強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、氣體成分含單質(zhì)硫、壓井液及硫磺顆粒等復(fù)雜的介質(zhì)工況。

    c.超聲波流量計(jì)運(yùn)行能耗極小，控制系統(tǒng)提供24V直流電源即可。提供485、232接口即可以方便地與PLC控制系統(tǒng)對(duì)接，適合智能化高酸氣田的建設(shè)需求。

    3 超聲波流量計(jì)關(guān)鍵技術(shù)控制分析

    3.1 酸性氣田超聲波流量計(jì)安裝方式選擇

    西門子外夾式超聲波流量計(jì)首次應(yīng)用于高含硫氣田，目前在國內(nèi)外還沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。外夾式超聲波流量計(jì)，即把兩組換能器平行安裝在管道兩側(cè)，形成兩組數(shù)據(jù)反饋通道，變送器把兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后輸出。安裝方式主要有直射式和反射式兩種，如圖2所示。

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圖2 超聲波流量計(jì)安裝示意圖

    直射式安裝超聲波聲束的聲程最短，可以提高信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)管道和液體的聲導(dǎo)性能差時(shí)，要考慮使用直射式安裝，塑料材質(zhì)管道必須采用直射式安裝。

    反射式安裝時(shí)聲波可以經(jīng)過管道內(nèi)部進(jìn)行多次采樣，所以測量的精度較高，并且可以克服不好的流態(tài)影響，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。

    在高酸氣田中，由于酸氣中含有凝析水、壓井液和固體單質(zhì)硫，反射式安裝聲波會(huì)多次發(fā)射到氣體中水分雜質(zhì)上，造成聲波多次散射形成雜波，干擾正常的波形，使信號(hào)強(qiáng)度弱，波形凌亂，導(dǎo)致計(jì)量出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的現(xiàn)象；而直射式安裝因其聲程最短，因此更適合現(xiàn)場工況，能保證信號(hào)穩(wěn)定。

    3.2 引入抗噪膜技術(shù)

    抗噪膜（或稱增透膜）的主要作用是過濾和同步管道噪音（過濾反射波、保留透射波、同步與信號(hào)相差1/2周期管道噪音），對(duì)信號(hào)波所在頻率周圍有較好的通透性，能夠吸收因酸氣中硫磺顆粒和管道材質(zhì)的不均勻造成的聲波散射波。根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，抗噪膜的厚度按1/4聲長選擇，而對(duì)應(yīng)的諧振頻率都采用探頭的中心頻率。根據(jù)西門子D2H型高精度探頭安裝使用規(guī)范，對(duì)應(yīng)的中心頻率為0.222MHz。下面以某高酸氣田FUG1010型外夾式超聲波流量計(jì)、D2H高精度探頭應(yīng)用實(shí)際為例。

    根據(jù)CC129參數(shù)規(guī)范，每張CC129抗噪膜的厚度為0.69mm。超聲波穿透抗噪膜的聲速為υ，在初始安裝的時(shí)候，換能器通過發(fā)射超聲波穿透抗噪膜會(huì)自動(dòng)得出υ=1838160mm/s，即：λ=υ/f=1838160/（0.222×106）=8.28mm。根據(jù)抗噪膜的厚度按1/4波長來選擇，即可得出抗噪膜的厚度為1/4×8.28=2.07mm。

    因?yàn)槊繌埧乖肽さ暮穸仁?.69mm，可得出抗噪膜的張數(shù)N=2.07/0.69=3。所以在添加3層CC129抗噪膜后信噪比得到提高，波形曲線清晰完好。

    3.3 AGA8補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置

    AGA8是基于美國天然氣協(xié)會(huì)8號(hào)報(bào)告允許氣體組分發(fā)生變化，并給出了氣體組分發(fā)生變化時(shí)氣體實(shí)際密度（kg/m3）與壓縮因子Zf的變化情況，然后利用該值可以計(jì)算質(zhì)量流量或者標(biāo)準(zhǔn)體積流量。由于采集的氣體組分實(shí)時(shí)變化，而實(shí)測天然氣壓縮因子所需儀器價(jià)格昂貴，無法滿足現(xiàn)場使用需求，因此采用固定的壓縮因子進(jìn)行流量補(bǔ)償必不可少。西門子超聲波流量計(jì)具有處理AGA8補(bǔ)償信息這一功能。

    3.3.1 AGA8補(bǔ)償設(shè)置

    AGA8補(bǔ)償設(shè)置步驟為：

    a.生成AGA8報(bào)表。通過DV軟件，正確輸入化驗(yàn)報(bào)告中組分參數(shù)、實(shí)際溫度和壓力補(bǔ)償參數(shù)，得到實(shí)際壓縮系數(shù)，生成AGA8報(bào)表。

    b.  建立與FUG1010變送器的通信。FUG1010型超聲波流量計(jì)提供了4～20mA和RS232兩種通信方式，通過RS232轉(zhuǎn)RS485串口，利用485通信進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。現(xiàn)場超聲波流量計(jì)RS232儀表接法為2對(duì)3，3對(duì)2，5對(duì)5。如Pin2是接收數(shù)據(jù)端，它必須對(duì)應(yīng)Pin3發(fā)送數(shù)據(jù)端；Pin2是發(fā)送數(shù)據(jù)端，它必須對(duì)應(yīng)Pin3接收數(shù)據(jù)端；Pin5對(duì)應(yīng)Pin5，即信號(hào)地對(duì)信號(hào)地。

    c.通過DV軟件，把AGA8報(bào)表導(dǎo)入FUG1010變送器。

    d.進(jìn)入流量計(jì)算機(jī)AGA8補(bǔ)償界面，激活流量計(jì)算機(jī)AGA8補(bǔ)償功能。

    e.重新進(jìn)行通道安裝。

    3.3.2 AGA8補(bǔ)償功能應(yīng)用效果

    在現(xiàn)場組分變化不大的情況下，優(yōu)化AGA8參數(shù)設(shè)置，激活超聲波流量計(jì)AGA8流量補(bǔ)償功能后，超聲波流量計(jì)1通道、2通道普遍得到提高，與實(shí)際值接近，如圖3、4所示。

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圖3 修改前計(jì)量數(shù)值

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圖4 修改后計(jì)量數(shù)值

    4  結(jié)束語

    通過對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果分析，表明外夾式超聲波流量計(jì)與其他類型的流量計(jì)類似，在工作過程中會(huì)受到各種條件的影響。為了保證超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確計(jì)量，在設(shè)計(jì)、安裝和操作過程中，需要對(duì)可能會(huì)影響到流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的因素加以注意，并通過各種手段予以消除或降低。通過對(duì)以上關(guān)鍵因素進(jìn)行控制，以及外夾式超聲波流量計(jì)的實(shí)際運(yùn)用，可以得出超聲波流量計(jì)適合高酸氣田酸性天然氣的計(jì)量，無論從安全性能、長期運(yùn)行費(fèi)用還是后期使用維護(hù)上相比，超聲波流量計(jì)比孔板流量計(jì)都占有很大的優(yōu)勢。