外夾式超聲波流量計在高(gāo)酸氣田關鍵技術的(de)分(fēn)析

高(gāo)酸氣田天然氣組分(fēn)中H2S的(de)平均含量較高(gāo)，對(duì)高(gāo)級孔闆閥、設備管材有著(zhe)極強的(de)腐蝕性，且單質硫及殘酸等雜(zá)質沉積經常堵塞高(gāo)級孔闆閥和(hé)孔闆流量計引壓管線，直接導緻孔闆流量計計量不準，嚴重影(yǐng)響氣田的(de)經濟效益。另外頻(pín)繁的(de)解堵清洗工作量巨大(dà)，不僅影(yǐng)響計量系統的(de)準确性，減少了(le)設備的(de)使用(yòng)壽命，還(hái)增加了(le)人(rén)員(yuán)暴露于危險場(chǎng)所的(de)時(shí)間，加大(dà)了(le)H2S中毒的(de)風險。因此，筆者提出一種将外夾式超聲波流量計應用(yòng)在高(gāo)酸氣田的(de)方式。針對(duì)該方式在夾持方式、抗噪膜應用(yòng)和(hé)AGA8補償優化(huà)方面進行了(le)深入的(de)研究，爲高(gāo)酸氣田的(de)精确計量邁出了(le)嶄新的(de)一步。
    1 時(shí)差法超聲波流量計的(de)工作原理(lǐ)

    超聲波是頻(pín)率大(dà)于20kHz超過人(rén)類聽(tīng)力範圍的(de)機械波。超聲波換能器将電能轉換爲超聲波能量，在流動的(de)流體傳播時(shí)載上流體流速的(de)信息，并将其發射到被測流體中，接收器接收到超聲波信号，經電子線路放大(dà)并轉換爲代表流量的(de)電信号進行解析計算(suàn)，這(zhè)樣就實現了(le)流量的(de)檢測和(hé)顯示。

    時(shí)差法超聲波流量計利用(yòng)一對(duì)超聲波換能器相向交替或同時(shí)收發超聲波，通(tōng)過檢測超聲波在介質中順流和(hé)逆流的(de)傳播時(shí)間差來(lái)間接測量流體的(de)流速，再通(tōng)過流速來(lái)計算(suàn)流量。

    超聲波流量計以測量聲波在流動介質中傳播的(de)時(shí)間和(hé)流量的(de)關系爲基本原理(lǐ)。通(tōng)常認爲聲波在流體的(de)實際傳播速度由介質靜止狀态下(xià)聲波的(de)傳播速度和(hé)流體軸向平均流速在聲波傳播方向上的(de)分(fēn)量組成。按圖1所示，順流和(hé)逆流傳播時(shí)間與各變量之間的(de)關系爲：

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    式中  Ct―――聲波在流體中的(de)傳播速度，m/s；

    L―――聲道長(cháng)度，m；

    tAB―――換能器的(de)相應時(shí)間、電路元件造成的(de)延時(shí)等，s；

    tdown―――超聲波在流體中順流傳播的(de)時(shí)間，s；

    tup―――超聲波在流體中逆流傳播的(de)時(shí)間，s；

    υm―――流體的(de)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(de)通(tōng)用(yòng)示意圖

    可(kě)利用(yòng)式（1）、（2）得(de)出順逆流時(shí)間差Δt：

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

    将測得(de)的(de)多(duō)個(gè)聲道的(de)流體流速υi（i=1，2，3，…，n）利用(yòng)數學函數關系聯合起來(lái)，可(kě)得(de)到管道平均流速的(de)估計值流量計信息網内容圖片，乘以過流面積A，即可(kě)得(de)到體積流量Qv：

    流量計信息網内容圖片    （4）

    其中，流量計信息網内容圖片=f（υ1，υ2，υ3，…，vn），n爲聲道數。

    2 超聲波流量計酸性氣田适應性分(fēn)析

    孔闆流量計特别是高(gāo)級孔闆流量計在我國油氣集輸管道應用(yòng)中長(cháng)期占據統治地位。随著(zhe)天然氣開采事業的(de)蓬勃發展，在高(gāo)壓、高(gāo)含硫、大(dà)流量計量領域當中，孔闆流量計越來(lái)越受到自身結構的(de)限制而突顯出其局限性。而超聲波流量計以其高(gāo)量程比、高(gāo)精度及非接觸式等諸多(duō)優勢已逐漸成爲天然氣計量的(de)主流方式。超聲波流量計的(de)具體優勢如下(xià)：

    a.超聲波流量計是一種非接觸式測量儀表，可(kě)用(yòng)來(lái)測量不易接觸、不易觀察的(de)流體流量，不會改變流體的(de)流動狀态，不會産生壓力損失，滿足硫化(huà)氫含量高(gāo)、壓力高(gāo)的(de)酸性氣田的(de)計量要求。

    b.對(duì)介質幾乎無要求。滿足高(gāo)酸氣田測量強腐蝕性介質、氣體成分(fēn)含單質硫、壓井液及硫磺顆粒等複雜(zá)的(de)介質工況。

    c.超聲波流量計運行能耗極小，控制系統提供24V直流電源即可(kě)。提供485、232接口即可(kě)以方便地與PLC控制系統對(duì)接，适合智能化(huà)高(gāo)酸氣田的(de)建設需求。

    3 超聲波流量計關鍵技術控制分(fēn)析

    3.1 酸性氣田超聲波流量計安裝方式選擇

    西門子外夾式超聲波流量計首次應用(yòng)于高(gāo)含硫氣田，目前在國内外還(hái)沒有成熟經驗可(kě)以借鑒。外夾式超聲波流量計，即把兩組換能器平行安裝在管道兩側，形成兩組數據反饋通(tōng)道，變送器把兩組數據進行平均，然後輸出。安裝方式主要有直射式和(hé)反射式兩種，如圖2所示。

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圖2 超聲波流量計安裝示意圖

    直射式安裝超聲波聲束的(de)聲程最短，可(kě)以提高(gāo)信号強度，當管道和(hé)液體的(de)聲導性能差時(shí)，要考慮使用(yòng)直射式安裝，塑料材質管道必須采用(yòng)直射式安裝。

    反射式安裝時(shí)聲波可(kě)以經過管道内部進行多(duō)次采樣，所以測量的(de)精度較高(gāo)，并且可(kě)以克服不好的(de)流态影(yǐng)響，能實現自動調零。

    在高(gāo)酸氣田中，由于酸氣中含有凝析水(shuǐ)、壓井液和(hé)固體單質硫，反射式安裝聲波會多(duō)次發射到氣體中水(shuǐ)分(fēn)雜(zá)質上，造成聲波多(duō)次散射形成雜(zá)波，幹擾正常的(de)波形，使信号強度弱，波形淩亂，導緻計量出現時(shí)高(gāo)時(shí)低的(de)現象；而直射式安裝因其聲程最短，因此更适合現場(chǎng)工況，能保證信号穩定。

    3.2 引入抗噪膜技術

    抗噪膜（或稱增透膜）的(de)主要作用(yòng)是過濾和(hé)同步管道噪音(yīn)（過濾反射波、保留透射波、同步與信号相差1/2周期管道噪音(yīn)），對(duì)信号波所在頻(pín)率周圍有較好的(de)通(tōng)透性，能夠吸收因酸氣中硫磺顆粒和(hé)管道材質的(de)不均勻造成的(de)聲波散射波。根據工程應用(yòng)經驗，抗噪膜的(de)厚度按1/4聲長(cháng)選擇，而對(duì)應的(de)諧振頻(pín)率都采用(yòng)探頭的(de)中心頻(pín)率。根據西門子D2H型高(gāo)精度探頭安裝使用(yòng)規範，對(duì)應的(de)中心頻(pín)率爲0.222MHz。下(xià)面以某高(gāo)酸氣田FUG1010型外夾式超聲波流量計、D2H高(gāo)精度探頭應用(yòng)實際爲例。

    根據CC129參數規範，每張CC129抗噪膜的(de)厚度爲0.69mm。超聲波穿透抗噪膜的(de)聲速爲υ，在初始安裝的(de)時(shí)候，換能器通(tōng)過發射超聲波穿透抗噪膜會自動得(de)出υ=1838160mm/s，即：λ=υ/f=1838160/（0.222×106）=8.28mm。根據抗噪膜的(de)厚度按1/4波長(cháng)來(lái)選擇，即可(kě)得(de)出抗噪膜的(de)厚度爲1/4×8.28=2.07mm。

    因爲每張抗噪膜的(de)厚度是0.69mm，可(kě)得(de)出抗噪膜的(de)張數N=2.07/0.69=3。所以在添加3層CC129抗噪膜後信噪比得(de)到提高(gāo)，波形曲線清晰完好。

    3.3 AGA8補償參數設置

    AGA8是基于美(měi)國天然氣協會8号報告允許氣體組分(fēn)發生變化(huà)，并給出了(le)氣體組分(fēn)發生變化(huà)時(shí)氣體實際密度（kg/m3）與壓縮因子Zf的(de)變化(huà)情況，然後利用(yòng)該值可(kě)以計算(suàn)質量流量或者标準體積流量。由于采集的(de)氣體組分(fēn)實時(shí)變化(huà)，而實測天然氣壓縮因子所需儀器價格昂貴，無法滿足現場(chǎng)使用(yòng)需求，因此采用(yòng)固定的(de)壓縮因子進行流量補償必不可(kě)少。西門子超聲波流量計具有處理(lǐ)AGA8補償信息這(zhè)一功能。

    3.3.1 AGA8補償設置

    AGA8補償設置步驟爲：

    a.生成AGA8報表。通(tōng)過DV軟件，正确輸入化(huà)驗報告中組分(fēn)參數、實際溫度和(hé)壓力補償參數，得(de)到實際壓縮系數，生成AGA8報表。

    b.  建立與FUG1010變送器的(de)通(tōng)信。FUG1010型超聲波流量計提供了(le)4～20mA和(hé)RS232兩種通(tōng)信方式，通(tōng)過RS232轉RS485串口，利用(yòng)485通(tōng)信進行遠(yuǎn)距離傳輸。現場(chǎng)超聲波流量計RS232儀表接法爲2對(duì)3，3對(duì)2，5對(duì)5。如Pin2是接收數據端，它必須對(duì)應Pin3發送數據端；Pin2是發送數據端，它必須對(duì)應Pin3接收數據端；Pin5對(duì)應Pin5，即信号地對(duì)信号地。

    c.通(tōng)過DV軟件，把AGA8報表導入FUG1010變送器。

    d.進入流量計算(suàn)機AGA8補償界面，激活流量計算(suàn)機AGA8補償功能。

    e.重新進行通(tōng)道安裝。

    3.3.2 AGA8補償功能應用(yòng)效果

    在現場(chǎng)組分(fēn)變化(huà)不大(dà)的(de)情況下(xià)，優化(huà)AGA8參數設置，激活超聲波流量計AGA8流量補償功能後，超聲波流量計1通(tōng)道、2通(tōng)道普遍得(de)到提高(gāo)，與實際值接近，如圖3、4所示。

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圖3 修改前計量數值

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圖4 修改後計量數值

    4  結束語

    通(tōng)過對(duì)各項試驗結果分(fēn)析，表明(míng)外夾式超聲波流量計與其他(tā)類型的(de)流量計類似，在工作過程中會受到各種條件的(de)影(yǐng)響。爲了(le)保證超聲波流量計準确計量，在設計、安裝和(hé)操作過程中，需要對(duì)可(kě)能會影(yǐng)響到流量計計量準确性的(de)因素加以注意，并通(tōng)過各種手段予以消除或降低。通(tōng)過對(duì)以上關鍵因素進行控制，以及外夾式超聲波流量計的(de)實際運用(yòng)，可(kě)以得(de)出超聲波流量計适合高(gāo)酸氣田酸性天然氣的(de)計量，無論從安全性能、長(cháng)期運行費用(yòng)還(hái)是後期使用(yòng)維護上相比，超聲波流量計比孔闆流量計都占有很大(dà)的(de)優勢。