外夹式超声波流量计在高酸气田关键技术的分析

高酸气田天然气组分中H2S的平均含量较高，对高级孔板阀、设备管材有着极强的腐蚀性，且单质硫及残酸等杂质沉积经常堵塞高级孔板阀和孔板流量计引压管线，直接导致孔板流量计计量不准，严重影响气田的经济效益。另外频繁的解堵清洗工作量巨大，不仅影响计量系统的准确性，减少了设备的使用寿命，还增加了人员暴露于危险场所的时间，加大了H2S中毒的风险。因此，笔者提出一种将外夹式超声波流量计应用在高酸气田的方式。针对该方式在夹持方式、抗噪膜应用和AGA8补偿优化方面进行了深入的研究，为高酸气田的精确计量迈出了崭新的一步。
    1 时差法超声波流量计的工作原理

    超声波是频率大于20kHz超过人类听力范围的机械波。超声波换能器将电能转换为超声波能量，在流动的流体传播时载上流体流速的信息，并将其发射到被测流体中，接收器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号进行解析计算，这样就实现了流量的检测和显示。

    时差法超声波流量计利用一对超声波换能器相向交替或同时收发超声波，通过检测超声波在介质中顺流和逆流的传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量。

    超声波流量计以测量声波在流动介质中传播的时间和流量的关系为基本原理。通常认为声波在流体的实际传播速度由介质静止状态下声波的传播速度和流体轴向平均流速在声波传播方向上的分量组成。按图1所示，顺流和逆流传播时间与各变量之间的关系为：

    流量计信息网内容图片    （1）

    流量计信息网内容图片    （2）

    式中  Ct―――声波在流体中的传播速度，m/s；

    L―――声道长度，m；

    tAB―――换能器的相应时间、电路元件造成的延时等，s；

    tdown―――超声波在流体中顺流传播的时间，s；

    tup―――超声波在流体中逆流传播的时间，s；

    υm―――流体的轴向平均速度，m/s；

    φ―――声道角。

流量计信息网内容图片

图1 声波在流体中传播的通用示意图

    可利用式（1）、（2）得出顺逆流时间差Δt：

    流量计信息网内容图片    （3）

    其中X为换能器在管线上的间距。液体中声速要远大于液体流速，因此顺逆流时间差Δt≈（2υmX）/C2t，因而流体的流速为υm=C2tΔt/2X。

    将测得的多个声道的流体流速υi（i=1，2，3，…，n）利用数学函数关系联合起来，可得到管道平均流速的估计值流量计信息网内容图片，乘以过流面积A，即可得到体积流量Qv：

    流量计信息网内容图片    （4）

    其中，流量计信息网内容图片=f（υ1，υ2，υ3，…，vn），n为声道数。

    2 超声波流量计酸性气田适应性分析

    孔板流量计特别是高级孔板流量计在我国油气集输管道应用中长期占据统治地位。随着天然气开采事业的蓬勃发展，在高压、高含硫、大流量计量领域当中，孔板流量计越来越受到自身结构的限制而突显出其局限性。而超声波流量计以其高量程比、高精度及非接触式等诸多优势已逐渐成为天然气计量的主流方式。超声波流量计的具体优势如下：

    a.超声波流量计是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量，不会改变流体的流动状态，不会产生压力损失，满足硫化氢含量高、压力高的酸性气田的计量要求。

    b.对介质几乎无要求。满足高酸气田测量强腐蚀性介质、气体成分含单质硫、压井液及硫磺颗粒等复杂的介质工况。

    c.超声波流量计运行能耗极小，控制系统提供24V直流电源即可。提供485、232接口即可以方便地与PLC控制系统对接，适合智能化高酸气田的建设需求。

    3 超声波流量计关键技术控制分析

    3.1 酸性气田超声波流量计安装方式选择

    西门子外夹式超声波流量计首次应用于高含硫气田，目前在国内外还没有成熟经验可以借鉴。外夹式超声波流量计，即把两组换能器平行安装在管道两侧，形成两组数据反馈通道，变送器把两组数据进行平均，然后输出。安装方式主要有直射式和反射式两种，如图2所示。

流量计信息网内容图片

图2 超声波流量计安装示意图

    直射式安装超声波声束的声程最短，可以提高信号强度，当管道和液体的声导性能差时，要考虑使用直射式安装，塑料材质管道必须采用直射式安装。

    反射式安装时声波可以经过管道内部进行多次采样，所以测量的精度较高，并且可以克服不好的流态影响，能实现自动调零。

    在高酸气田中，由于酸气中含有凝析水、压井液和固体单质硫，反射式安装声波会多次发射到气体中水分杂质上，造成声波多次散射形成杂波，干扰正常的波形，使信号强度弱，波形凌乱，导致计量出现时高时低的现象；而直射式安装因其声程最短，因此更适合现场工况，能保证信号稳定。

    3.2 引入抗噪膜技术

    抗噪膜（或称增透膜）的主要作用是过滤和同步管道噪音（过滤反射波、保留透射波、同步与信号相差1/2周期管道噪音），对信号波所在频率周围有较好的通透性，能够吸收因酸气中硫磺颗粒和管道材质的不均匀造成的声波散射波。根据工程应用经验，抗噪膜的厚度按1/4声长选择，而对应的谐振频率都采用探头的中心频率。根据西门子D2H型高精度探头安装使用规范，对应的中心频率为0.222MHz。下面以某高酸气田FUG1010型外夹式超声波流量计、D2H高精度探头应用实际为例。

    根据CC129参数规范，每张CC129抗噪膜的厚度为0.69mm。超声波穿透抗噪膜的声速为υ，在初始安装的时候，换能器通过发射超声波穿透抗噪膜会自动得出υ=1838160mm/s，即：λ=υ/f=1838160/（0.222×106）=8.28mm。根据抗噪膜的厚度按1/4波长来选择，即可得出抗噪膜的厚度为1/4×8.28=2.07mm。

    因为每张抗噪膜的厚度是0.69mm，可得出抗噪膜的张数N=2.07/0.69=3。所以在添加3层CC129抗噪膜后信噪比得到提高，波形曲线清晰完好。

    3.3 AGA8补偿参数设置

    AGA8是基于美国天然气协会8号报告允许气体组分发生变化，并给出了气体组分发生变化时气体实际密度（kg/m3）与压缩因子Zf的变化情况，然后利用该值可以计算质量流量或者标准体积流量。由于采集的气体组分实时变化，而实测天然气压缩因子所需仪器价格昂贵，无法满足现场使用需求，因此采用固定的压缩因子进行流量补偿必不可少。西门子超声波流量计具有处理AGA8补偿信息这一功能。

    3.3.1 AGA8补偿设置

    AGA8补偿设置步骤为：

    a.生成AGA8报表。通过DV软件，正确输入化验报告中组分参数、实际温度和压力补偿参数，得到实际压缩系数，生成AGA8报表。

    b.  建立与FUG1010变送器的通信。FUG1010型超声波流量计提供了4～20mA和RS232两种通信方式，通过RS232转RS485串口，利用485通信进行远距离传输。现场超声波流量计RS232仪表接法为2对3，3对2，5对5。如Pin2是接收数据端，它必须对应Pin3发送数据端；Pin2是发送数据端，它必须对应Pin3接收数据端；Pin5对应Pin5，即信号地对信号地。

    c.通过DV软件，把AGA8报表导入FUG1010变送器。

    d.进入流量计算机AGA8补偿界面，激活流量计算机AGA8补偿功能。

    e.重新进行通道安装。

    3.3.2 AGA8补偿功能应用效果

    在现场组分变化不大的情况下，优化AGA8参数设置，激活超声波流量计AGA8流量补偿功能后，超声波流量计1通道、2通道普遍得到提高，与实际值接近，如图3、4所示。

流量计信息网内容图片

图3 修改前计量数值

流量计信息网内容图片

图4 修改后计量数值

    4  结束语

    通过对各项试验结果分析，表明外夹式超声波流量计与其他类型的流量计类似，在工作过程中会受到各种条件的影响。为了保证超声波流量计准确计量，在设计、安装和操作过程中，需要对可能会影响到流量计计量准确性的因素加以注意，并通过各种手段予以消除或降低。通过对以上关键因素进行控制，以及外夹式超声波流量计的实际运用，可以得出超声波流量计适合高酸气田酸性天然气的计量，无论从安全性能、长期运行费用还是后期使用维护上相比，超声波流量计比孔板流量计都占有很大的优势。