多聲道超聲波流量計在“中-土”天然氣項目貿易計量中的應用

摘 要

摘要：隨著中國-中亞天然氣管道投產輸氣，在中國-土庫曼斯坦天然氣項目貿易計量交接中首次應用了多聲道氣體超聲波流量計。為此，詳細介紹了德國RMG公司生產的多聲道超聲波流量計
摘要：隨著中國-中亞天然氣管道投產輸氣，在中國-土庫曼斯坦天然氣項目貿易計量交接中首次應用了多聲道氣體超聲波流量計。為此，詳細介紹了德國RMG公司生產的多聲道超聲波流量計的工作原理、結構、性能特點和校準情況。現場應用情況表明，該流量計具有測量精度高、測量范圍寬、抗干擾性強、無壓損、超載安全、可進行雙向測量和測量的影響因素少等特點，應用在高壓、大流量的天然氣計量中具有強大的優勢。多聲道氣體超聲波流量計完全適用于國際天然氣貿易計量交接，有效地提高了國際天然氣計量技術水平，避免了國際貿易計量的糾紛，為中國石油天然氣集團公司在中亞地區天然氣項目的貿易計量提供了一個典型的成功案例。
關鍵詞：天然氣；多聲道；超聲波流量計；貿易計量；AGA 9；ISO 17025；中國；土庫曼斯坦
    土庫曼斯坦阿姆河右岸天然氣勘探開發項目是中國和土庫曼斯坦兩國在能源領域合作的重大項目，也是中國石油天然氣集團公司(下稱中石油)迄今為止最大規模的境外天然氣勘探開發合作項目。阿姆河右岸區塊位于土庫曼斯坦東部，面積約1.43×104km2，合同區分為A、B兩個區塊，合同期限為35a。該項目所生產的天然氣是中國西氣東輸二線的主供氣源，中國石油(土庫曼斯坦)阿姆河天然氣公司(以下簡稱阿姆河公司)于2009年底在A區塊建成第一天然氣處理廠并一次投產成功，通過中亞天然氣管道將天然氣輸向中國。
    阿姆河公司外輸增壓計量站設計規模為130×108m3/a，其功能是將天然氣處理廠來的凈化天然氣進行過濾分離、增壓及貿易計量，然后輸送至中亞天然氣管道。鑒于國際貿易計量需要準確無誤、安全穩定[1～2]，因此采用了計量精度為±0.25%的德國RMG公司六聲道USZ08型氣體超聲波流量計用于貿易計量。
1 多聲道超聲波流量計工作原理及特點
1.1 工作原理
RMG公司六聲道氣體超聲波流量計的工作原理是根據超聲波脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時間差來測量氣體流速，進而計算工況下的氣體流量，詳見圖1。
 

1.2 結構特點
    RMG公司六聲道超聲波流量計由測量元件(12個傳感器)、電子測量系統、殼體以及流量計算機等組成。每個傳感器都由一個壓電晶體安裝在鈦金屬外殼中組成，傳感器直接與殼體用法蘭聯接并且沒有伸到管道里，各聲道按流量計中心對稱排列，所以可以用于雙向計量而不必修改或重新編程。每一個傳感器既是一個發射器同時也是一個接收器，也就是說，經過一段時間的測量，發射器就變成接收器，反之亦然，這樣，就消除了氣體類型、壓力和溫度對聲速的影響。為了消除氣體流型的影響，一共使用了在3個平行平面的6個聲道來進行測量，每個平行平面上，有2個聲道相互交叉(圖2)。聲道是根據高斯-切比雪夫(Gauss-Chebyshev)理論進行排列，所以甚至在不對稱、渦流的情況下也可以保證對流速的最佳測量。
 

    直接安裝在流量計殼體上的電子測量系統用來控制傳感器、評估測量結果和為每個聲道計算流速，并與安裝在控制柜中的流量計算機進行數字通信。在流量計算機上可以對超聲波流量計進行操作，以控制測量、計算流量和讀取數據等。
1.3 性能特點
    超聲波流量計在國內天然氣計量中已經得到了應用，并取得了很好的效果[3]。RMG六聲道超聲波流量計是能夠滿足精確測量和安全穩定測量的先進測量系統，符合AGA 9[4]等超聲波流量計標準規范，其性能特點及優點包括：
    1) 與三、四聲道流量計相比，以特別方式排列的六聲道超聲波流量計有以下的決定性優點：①抗干擾性。根據高斯-切比雪夫(Gauss-Chebyshev)理論排列聲道，并且聲道相互交叉，使流量計很大程度上不受氣體流型的影響。因此，可以不需要整流器甚至在氣體流動受到渦流、不對稱等干擾的情況下也可以實現高精度的測量。②冗余性。如果其中任何一個或兩個聲道失效，六聲道流量計將不會失去計量能力，失效的聲道可以通過重新復值來得到恢復。
    2) 由于傳感器以100kHz的頻率運行，這就使得流量計能夠對流速高達40m/s的氣體進行測量，所以RMG六聲道超聲波流量計可以應用到流速非常高的計量站。
    3) RMG六聲道USZ08型氣體超聲波流量計的精度為±0.25%，滿足交接計量要求。其本身基本的聲道幾何排列、六聲道技術和高聲波頻率等特性，使得氣體超聲波流量計可以實現高精度測量。
    4) 幾乎沒有壓力損失，只要管道的橫截面內部沒有安裝元器件，那么實際上就沒有壓力損失。
    5) 超載安全，因為氣體流量計沒有敏感元器件。
    6) 可以實現雙向測量，流量計自動檢測氣體流向，可以在兩個方向上測量而且分別累計計量。
    7) 對污物不敏感，因為測量不需要聲波反射，在管壁上堆積的污物對超聲波脈沖不起作用，并且鈦金屬傳感器表面是防污垢的，這樣就減弱了污物等因素[5]對流量計造成的影響。
    8) 不受壓力變化約束，因為氣體流速是直接測量且測量不需要靠流體機械力作用來完成。
2 多聲道超聲波流量計校準
    根據規定，流量計在出廠或使用之前，必須對其計量性能進行校準，以保證產品質量和使用的準確度。阿姆河天然氣公司購置的2臺多聲道超聲波流量計在出廠前送至荷蘭國家計量研究院(NMi)下屬Gasunie管道公司的Westerbork標定站，利用其高壓檢測裝置進行校準。Westerbork高壓檢測裝置是世界上具有最高流量的裝置之一，在6.2MPa的壓力條件下最大流量為2.8×104m3/h，并按ISO 17025[6]標準要求進行校準實驗認可。該裝置歸屬于Gasunie管道公司所有，校準時由NMi監督，并出具NMi的證書。
    Westerbork高壓檢測裝置的指標參數完全符合這2臺多聲道超聲波流量計校準的需求，標準表量值溯源有效、實驗室環境條件符合要求[7]。所用標準方法為標準表法，計算過程及數據處理符合ISO標準要求，參數調整與校準處理結果吻合，校準結果和修正結果可靠，參數修改完成后對儀表進行鉛封。
3 現場應用
阿姆河天然氣公司外輸增壓計量站2臺多聲道超聲波流量計于2009年12月正式投用，如圖3所示，供氣壓力約6MPa，流量約為39×104m3/h(標態)。現場運行情況表明：RMG六聲道USZ08型氣體超聲波流量計工作性能安全、穩定、可靠，能適應在投產輸氣前期壓力、流量具有一定波動幅度的工況條件，保障了貿易氣量的準確計量，中土雙方對流量計的工作情況都較滿意。
 

4 結論
    多聲道氣體超聲波流量計由于具有測量精度高、測量范圍寬、抗干擾性強、無壓損、超載安全、雙向測量、測量的影響因素少等優點，完全適用于國際天然氣貿易計量，有效地提高了國際天然氣計量技術水平，保證了天然氣計量準確可靠和公平公正，避免了國際貿易計量的糾紛，為中石油在中亞地區天然氣項目采用多聲道超聲波流量計進行貿易計量提供一個典型的成功案例。
參考文獻
[1] 羅勤，楊果，鄭琦，等.俄羅斯天然氣產品測量、計量保障體系簡介[J].天然氣工業，2009，29(4)：86-88.
[2] 鄧傳忠，鄭永建，李偉.流量計量準確性對海上氣田生產管理的影響[J].天然氣工業，2008，28(7)：99-102.
[3] 王東，趙毅剛，白巖，等.氣體超聲流量計在長慶氣田的應用[J].天然氣工業，2007，27(5)：118-120.
[4] American Gas Association. AGA Report No.9：2007 Measurement of gas by multipath ultrasonic meters [S].Washington：American Gas Association，2007.
[5] 楊聲將，何敏，任佳.超聲波流量計計量系統性能的主要影響因素[J].天然氣工業，2006，26(3)：111-113.
[6] International Organization for Standardization. ISO/IEC 17025：2005 General requirements for the competence of testing and calibration laboratories[S].Geneva：International Organization for Standardization，2005.
[7] 陳賡良.對天然氣能量計量溯源性的若干認識[J].石油與天然氣化工，2007，36(2)：162-168.
 
(本文作者：王敬章1，2 劉廷富2 聶靖霜3 劉清友1 1.西南石油大學；2.中國石油(土庫曼斯坦)阿姆河天然氣公司；3.重慶市工業學校)