超聲波流量計計量偏差分析

    0　引言

    超聲波流量計是近代發(fā)展起來(lái)的一種新型測量流量的儀表，可以測量高黏度液體、非導電性液體或氣體的流量，其測量流速的原理是：傳遞的聲訊號穿過(guò)管道內流動(dòng)的介質(zhì)時(shí)，其傳遞速度受介質(zhì)流動(dòng)速度的影響1。20世紀90年代后期，超聲波流量計開(kāi)始在大口徑天然氣管道上大量應用2；同時(shí)，因超聲波流量計引起的計量糾紛也不斷出現。在2006年初的一次計量糾紛中，多計天然氣達1035萬(wàn)m3。引起糾紛的流量計量系統為DANIEL公司生產(chǎn)的采用S600流量計算機進(jìn)行顯示和運算的四聲道超聲波流量計量系統。

    在糾紛的處理過(guò)程中，經(jīng)檢查鉑電阻、壓力變送器、超聲波流量計等均不存在問(wèn)題，而流量計算機面板顯示氣體流速、工況流量、標準體積流量與軟件計算流量均不對應。懷疑是在流量計算機上讀數不同步或流量在流量計算機內進(jìn)行過(guò)修正造成計算數據偏差。于是采用軟件讀數的方法進(jìn)行采數，計算流量與流量計算機顯示流量基本對應。

    根據以上信息，檢查了流量計算機的組態(tài)參數，逐項核對流量計算公式，發(fā)現DANIEL流量計算機中對體積流量進(jìn)行了修正，其中壓力修正參數涉及到楊氏模量參數。超聲波流量計中楊氏模量參數設置為30kPa，而流量計算機中設置為1930600bar，由此可見(jiàn)，從超聲波流量計投用后，計量數據一直存在很大的偏差。

    1　原因分析

    1.1　計算機軟件檢查

    在事件處理過(guò)程中，對流量計算機的組態(tài)軟件和整個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細的分析。

    在S600流量計算機中，存在著(zhù)兩種文件：

    1)Vixworks(相當于個(gè)人計算機中的Windows系統)是組態(tài)軟件運行的基礎，計算等各種功能模塊存在其中；

    2)組態(tài)軟件(相當于個(gè)人計算機中運行的各種軟件)是在Vixworks之上運行的，針對不同現場(chǎng)儀表調用不同計算模塊的運行軟件。

    在超聲流量計與S600流量計算機組成的系統中，流量計算機對流量的計算模塊組中，包含超聲流量計表體壓力膨脹系數的修正計算。而楊氏模量則參與該壓力膨脹系數的修正計算。Vixworks中有相關(guān)的模塊，在組態(tài)軟件中調用相應模塊。

    在Vixworks04.25以前的版本中，所有輸入壓力無(wú)論其為何種單位，均會(huì )被轉化為以bar為單位，然后再結合楊氏模量數值進(jìn)行計算。所以楊氏模量對應的壓力單位默認為bar。在組態(tài)軟件中，楊氏模量的數值設為1930600bar(不銹鋼的楊氏模量)。

    碳鋼的楊氏模量數值為2068430bar。經(jīng)計算比較，將碳鋼的楊氏模量設為不銹鋼的楊氏模量，在工作壓力為4246.145kPa，管道內徑為0.25451562m，管道外徑為0.35m的條件下，對超聲流量計計量結果的影響為0.00138%，可以忽略不計。

    在Vixworks04.25以后的版本中，超聲流量計表體壓力膨脹系數的修正模塊中，修改了上述關(guān)系。即當現場(chǎng)選定的壓力為kPa，則楊氏模量數值對應的單位也應為kPa；當現場(chǎng)選定的壓力單位為MPa時(shí)，則楊氏模量數值對應的單位也應為MPa。如果選定的單位為kPa，楊氏模量數值對應的單位為bar，則會(huì )對計算產(chǎn)生較大影響。

    1.2　楊氏模量對流量計算的影響

    為確定楊氏模量對流量計算的影響，進(jìn)行了模擬計算。假定只有楊氏模量數值變化，其它參數不變，進(jìn)行理論計算。

    在S600流量計算機中，工況的計算公式為：

    式中：qv為經(jīng)溫度、壓力修正后的工況流量(m³/h)；V為天然氣流速(m/s)；Din為經(jīng)干標所得的超聲流量計表體內徑(m)；C_p為壓力對工況流量的修正系數，由式(2)計算所得；C_t為溫度對工況流量的修正系數，由式(4)計算所得；MF為校準系數；C_F為管道流體流速分布系數。

    式中：S為超聲流量計表體材質(zhì)壓力膨脹修正系數，由式(3)計算所得；P_L為壓力(bar)；P_CAL為標定內徑時(shí)的壓力(bar)，通常為標準狀態(tài)大氣壓。

    式中：E為楊氏模量(bar)；D_out為超聲流量計表體外徑(m)；Din為干標所得的超聲流量計表體內徑(m)。

    式中：L為超聲流量計表體材質(zhì)所對應的線(xiàn)性溫度修正系數(℃-1)；T_L為溫度(℃)；T_CAL為超聲流量計標定內徑時(shí)的溫度(℃)，通常為標準狀態(tài)溫度。

    2　計算示例

    2.1　正確楊氏模量數值計算

    以上述超聲流量計的工作情況為例，進(jìn)行計算。

    2.1.1　超聲流量計特性參數

    超聲流量計表體材質(zhì)為碳鋼，正確的E=206843000(kPa)，L=0.0000149(℃-1)；

    超聲流量計表體內外徑分別為Din=0.25451562m，Dout=0.35m。

    2.1.2　超聲流量計運行參數

    所測氣體流速V=16.85m/s；工作壓力P_L=4246.145kPa；工作溫度T_L=4.43℃。

    2.1.3　標準狀態(tài)

    大氣壓P_CAL=101.325kPa；溫度T_CAL=20℃。

    2.1.4　其它系數

    π=3.1415926，M_F=1.0000(以默認1.0000為計算示例)，C_F=1.0000(對四聲道流量計，該系數取1.0000)。

    2.1.5　計算過(guò)程

    將相關(guān)參數值代入式(4)可得：

    將相關(guān)參數值代入式(3)可得：

    將相關(guān)數值代入式(2)可得：

    再將相關(guān)參數和計算數值代入式(1)可得：

    2.2　錯誤楊氏模量數值計算

    以bar為單位的不銹鋼楊氏模量數值代入計算。

    按2.1.1～2.1.4所示數據，其它參數不變，只將以bar為單位的不銹鋼楊氏模量數值1930600代入計算，則：

    2.3　兩次計算的偏差

    偏差=(錯誤楊氏模量數值計算流量-正確楊氏模量數值計算流量)/正確楊氏模量數值計算流量

    ×100%=(3147.753084.63)/3084.63×100%=2.046%。

    3　結論

    在新版Vixworks的S600流量計算機中運行了老版的組態(tài)軟件，即設定楊氏模量數值應對應的單位為bar，而現場(chǎng)選用的壓力單位為kPa，使參與計算的楊氏模量數值比實(shí)際數值小了100倍，從而導致了管道受高壓膨脹修正計算的偏差。在工作壓力為4246.145kPa，管道內徑為0.25451562m，管道外徑為0.35m的條件下，所產(chǎn)生的偏差達2.046%。

    參考文獻

    [1] 廖志敏，熊珊.超聲波流量計的研究和應用.管道技術(shù)與設備，2004(4)：12-19
    [2] 王勁松，李海川，李波.管道工程的計量和檢測系統.石油規劃設計，2003，14(5)：46-48