外夾式超聲波流量計在高酸氣田關鍵技術的分析

高酸氣田天然氣組分中H2S的平均含量較高，對高級孔板閥、設備管材有著極強的腐蝕性，且單質硫及殘酸等雜質沉積經常堵塞高級孔板閥和孔板流量計引壓管線，直接導致孔板流量計計量不準，嚴重影響氣田的經濟效益。另外頻繁的解堵清洗工作量巨大，不僅影響計量系統的準確性，減少了設備的使用壽命，還增加了人員暴露于危險場所的時間，加大了H2S中毒的風險。因此，筆者提出一種將外夾式超聲波流量計應用在高酸氣田的方式。針對該方式在夾持方式、抗噪膜應用和AGA8補償優化方面進行了深入的研究，為高酸氣田的精確計量邁出了嶄新的一步。
    1 時差法超聲波流量計的工作原理

    超聲波是頻率大于20kHz超過人類聽力范圍的機械波。超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，在流動的流體傳播時載上流體流速的信息，并將其發射到被測流體中，接收器接收到超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號進行解析計算，這樣就實現了流量的檢測和顯示。

    時差法超聲波流量計利用一對超聲波換能器相向交替或同時收發超聲波，通過檢測超聲波在介質中順流和逆流的傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量。

    超聲波流量計以測量聲波在流動介質中傳播的時間和流量的關系為基本原理。通常認為聲波在流體的實際傳播速度由介質靜止狀態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，順流和逆流傳播時間與各變量之間的關系為：

    流量計信息網內容圖片    （1）

    流量計信息網內容圖片    （2）

    式中  Ct―――聲波在流體中的傳播速度，m/s；

    L―――聲道長度，m；

    tAB―――換能器的相應時間、電路元件造成的延時等，s；

    tdown―――超聲波在流體中順流傳播的時間，s；

    tup―――超聲波在流體中逆流傳播的時間，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）得出順逆流時間差Δt：

    流量計信息網內容圖片    （3）

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

    將測得的多個聲道的流體流速υi（i=1，2，3，…，n）利用數學函數關系聯合起來，可得到管道平均流速的估計值流量計信息網內容圖片，乘以過流面積A，即可得到體積流量Qv：

    流量計信息網內容圖片    （4）

    其中，流量計信息網內容圖片=f（υ1，υ2，υ3，…，vn），n為聲道數。

    2 超聲波流量計酸性氣田適應性分析

    孔板流量計特別是高級孔板流量計在我國油氣集輸管道應用中長期占據統治地位。隨著天然氣開采事業的蓬勃發展，在高壓、高含硫、大流量計量領域當中，孔板流量計越來越受到自身結構的限制而突顯出其局限性。而超聲波流量計以其高量程比、高精度及非接觸式等諸多優勢已逐漸成為天然氣計量的主流方式。超聲波流量計的具體優勢如下：

    a.超聲波流量計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，不會改變流體的流動狀態，不會產生壓力損失，滿足硫化氫含量高、壓力高的酸性氣田的計量要求。

    b.對介質幾乎無要求。滿足高酸氣田測量強腐蝕性介質、氣體成分含單質硫、壓井液及硫磺顆粒等復雜的介質工況。

    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。提供485、232接口即可以方便地與PLC控制系統對接，適合智能化高酸氣田的建設需求。

    3 超聲波流量計關鍵技術控制分析

    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于高含硫氣田，目前在國內外還沒有成熟經驗可以借鑒。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道，變送器把兩組數據進行平均，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，可以提高信號強度，當管道和液體的聲導性能差時，要考慮使用直射式安裝，塑料材質管道必須采用直射式安裝。

    反射式安裝時聲波可以經過管道內部進行多次采樣，所以測量的精度較高，并且可以克服不好的流態影響，能實現自動調零。

    在高酸氣田中，由于酸氣中含有凝析水、壓井液和固體單質硫，反射式安裝聲波會多次發射到氣體中水分雜質上，造成聲波多次散射形成雜波，干擾正常的波形，使信號強度弱，波形凌亂，導致計量出現時高時低的現象；而直射式安裝因其聲程最短，因此更適合現場工況，能保證信號穩定。

    3.2 引入抗噪膜技術

    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、同步與信號相差1/2周期管道噪音），對信號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的不均勻造成的聲波散射波。根據工程應用經驗，抗噪膜的厚度按1/4聲長選擇，而對應的諧振頻率都采用探頭的中心頻率。根據西門子D2H型高精度探頭安裝使用規范，對應的中心頻率為0.222MHz。下面以某高酸氣田FUG1010型外夾式超聲波流量計、D2H高精度探頭應用實際為例。

    根據CC129參數規范，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，在初始安裝的時候，換能器通過發射超聲波穿透抗噪膜會自動得出υ=1838160mm/s，即：λ=υ/f=1838160/（0.222×106）=8.28mm。根據抗噪膜的厚度按1/4波長來選擇，即可得出抗噪膜的厚度為1/4×8.28=2.07mm。

    因為每張抗噪膜的厚度是0.69mm，可得出抗噪膜的張數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補償參數設置

    AGA8是基于美國天然氣協會8號報告允許氣體組分發生變化，并給出了氣體組分發生變化時氣體實際密度（kg/m3）與壓縮因子Zf的變化情況，然后利用該值可以計算質量流量或者標準體積流量。由于采集的氣體組分實時變化，而實測天然氣壓縮因子所需儀器價格昂貴，無法滿足現場使用需求，因此采用固定的壓縮因子進行流量補償必不可少。西門子超聲波流量計具有處理AGA8補償信息這一功能。

    3.3.1 AGA8補償設置

    AGA8補償設置步驟為：

    a.生成AGA8報表。通過DV軟件，正確輸入化驗報告中組分參數、實際溫度和壓力補償參數，得到實際壓縮系數，生成AGA8報表。

    b.  建立與FUG1010變送器的通信。FUG1010型超聲波流量計提供了4～20mA和RS232兩種通信方式，通過RS232轉RS485串口，利用485通信進行遠距離傳輸。現場超聲波流量計RS232儀表接法為2對3，3對2，5對5。如Pin2是接收數據端，它必須對應Pin3發送數據端；Pin2是發送數據端，它必須對應Pin3接收數據端；Pin5對應Pin5，即信號地對信號地。

    c.通過DV軟件，把AGA8報表導入FUG1010變送器。

    d.進入流量計算機AGA8補償界面，激活流量計算機AGA8補償功能。

    e.重新進行通道安裝。

    3.3.2 AGA8補償功能應用效果

    在現場組分變化不大的情況下，優化AGA8參數設置，激活超聲波流量計AGA8流量補償功能后，超聲波流量計1通道、2通道普遍得到提高，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 修改后計量數值

    4  結束語

    通過對各項試驗結果分析，表明外夾式超聲波流量計與其他類型的流量計類似，在工作過程中會受到各種條件的影響。為了保證超聲波流量計準確計量，在設計、安裝和操作過程中，需要對可能會影響到流量計計量準確性的因素加以注意，并通過各種手段予以消除或降低。通過對以上關鍵因素進行控制，以及外夾式超聲波流量計的實際運用，可以得出超聲波流量計適合高酸氣田酸性天然氣的計量，無論從安全性能、長期運行費用還是后期使用維護上相比，超聲波流量計比孔板流量計都占有很大的優勢。