摘 要：在德克薩斯州圣安東尼奧氣體研究院的流量計研究裝置上對單聲道和多聲道超聲流量計進行了試驗，建立基準條件并且對在基準安裝條件下和其它的管線安裝情況下的性能進行評定。試驗的目的是確定8in單聲道和多聲道流量計在不同的管線安裝條件下，以及與1臺流束整流器一起使用時它們的性能如何。將試驗結(jié)果與基準條件下的數(shù)據(jù)進行比較以做出深入的評估。8in的多聲道流量計的試驗結(jié)果表明，整流器具有改進其測量準確度的功能，這取決于流量計的型式和相對于干擾源的位置。單聲道流量計的試驗表明，在良好的流場條件下可以獲得優(yōu)于0.5%的準確度。由安裝在上游的一個90o彎頭說明了流量計對簡單的擾流的敏感程度。在這些試驗中相對于基準試驗安裝流量測量誤差范圍在1%～4%。 一、前 言 超聲流量計是通過測量超聲波脈沖在流體中的傳播時間導(dǎo)出氣體體積流量的。對于1臺超聲流量計，由于確定流量準確度是流量計設(shè)計和計算方法、上游管道要求的函數(shù)，這不同于許多傳統(tǒng)的測量方法。 舉例，孔板流量計測量流量，對已確定的流出系數(shù)的準確度之內(nèi)，要求對稱，無旋渦流。為了得到已公布的流量測量的性能，AGA 3號報告建議了最小的直管段長度、管徑的變化、孔板流量計上游的安裝要求。當(dāng)孔板流量計規(guī)格（β比）增加，由于減少了流量堵塞，使孔板對速度剖面的整型作用也減小了，其對流體干擾的敏感度也增加了。 渦輪流量計因流體對轉(zhuǎn)子的作用也改進了流動剖面。由于進口流動剖面的改進，使渦輪流量計的性能也得到了改進。由于渦輪流量計對速度剖面的非對稱性敏感，為此，AGA7號報告要求渦輪流量計使用整流器以消除進口的流動旋渦。 由于超聲波流量計基本上沒有影響人口流動的障礙物，流量計不會改變流動剖面，這種流量計根據(jù)流量計取得的流動樣，依據(jù)可靠的計算方法準確地確定流量。 在多聲道超聲流量計的設(shè)計中，制造者嘗試對流量計進行優(yōu)化以降低它們對流動干擾的敏感。如果流量計可以對所有的流動干擾做修正補償，那么，就可以不用整流器了。然而，由于有少量已發(fā)表的有關(guān)整流器如何影響多聲道超聲流量計性能的資料，對整流器與超聲流量計聯(lián)合應(yīng)用仍有興趣。根據(jù)其它型式的流量計的應(yīng)用經(jīng)驗，整流器意味著潛在的效益。 作為一個替代多聲道流量計的有效益的方案，與價格便宜的單聲道超聲波流量計一起使用整流器也是有意義的。另外，有少量可靠的試驗數(shù)據(jù)證實了使用整流器的單聲道流量計的性能。 這些結(jié)果得自第一部分試驗，這些試驗試圖確定8in單聲道和多聲道超聲流量計以不同配管安裝和當(dāng)與1臺整流器聯(lián)合使用的實用經(jīng)驗。這個試驗是在試驗流量計上游設(shè)置一個彎管或兩個彎管，并且在流量計加裝或不裝整流器的情況下運行的。 進一步的試驗是打算評估雙向流量計測量性能和流量低于流量計能力1%時的流量測量準確度。在流體可以是雙向流動的地方，如地下儲氣設(shè)施，計劃安裝超聲流量計的人們對雙向測量性能是關(guān)注的。 對于一個計量站的安裝，需要確定流量計的數(shù)量和口徑，因為量程比的原因，低流量的測量性能也應(yīng)關(guān)注。 二、試驗方法 流量計安裝在高壓環(huán)路（HPL）的測試管段上，試驗介質(zhì)為輸送級的天然氣。同時收集超聲流量計和HPL上的臨界流噴嘴組上的數(shù)據(jù)，它們作為流量標(biāo)準。 在不同的壓力下，5個雙加權(quán)的音速噴嘴相對于HPL稱重罐系統(tǒng)進行現(xiàn)場校準。所有的校準，由1臺在線氣相色譜儀和 AGA 8號報告狀態(tài)方程確定氣體性質(zhì)。 與HPL的參比壓力相關(guān)的靜壓，在1臺流量計下游兩倍管徑處測量。氣體溫度在每臺流量計下游三倍管徑處測量。測量的溫度和壓力與測得的氣體組分和超聲流量計測出的氣體體積一起被用于計算超聲流量計的質(zhì)量流量，這個質(zhì)量流量再用來與臨界流噴嘴確定的流量進行比較。 根據(jù)制造廠選用的方案，超聲流量計可以用不同的方法得到體積流量。流量計M3和M4內(nèi)部的校準方法用來計算總的氣體體積和運行期間的時間。然后根據(jù)總的量計算平均流量。 流量計M1和M2報告（測量）實際流量，每秒提供一次流量值，確定平均體積流量。單個通道的狀態(tài)、速度和聲速數(shù)據(jù)也被記錄。 典型的測試系統(tǒng)由通過流動環(huán)道的可循環(huán)氣體構(gòu)成，并達到氣體溫度和壓力穩(wěn)定，選擇和切換不同的音速噴嘴組合確定穩(wěn)定的流量。一個測試點由流量和其它度量90s周期內(nèi)計算的平均值組成。一個測試點要重復(fù)6次以計算平均值和標(biāo)準偏差。測量數(shù)據(jù)同時也由2臺渦輪流量計采集。渦輪流量計的數(shù)據(jù)確認實驗的一致性。 用于本次試驗的4臺流量計由制造廠提供，它們都是可商業(yè)化的。在本項目試驗前沒有做過流量校準。4臺流量計有2臺多聲道的，有2臺單聲道的。表1給出了流量計聲道布置情況。 表1 測試流詛計幾何參數(shù) 所有流量計制造成統(tǒng)一的法蘭至法蘭尺寸（31.5in長度）和內(nèi)徑（在0.005in之內(nèi)）以方便不同安裝位置的流量計交換。制造廠家提供了根據(jù)專用程序?qū)C械、電子和其它測量的流量計設(shè)定參數(shù)。在測試的時候，用與流量計的剖面修正參數(shù)由制造廠家檢查。有關(guān)測試條件的特殊參數(shù)（用于流量計內(nèi)部的電子學(xué)的流體性質(zhì)）根據(jù)需要每次進行調(diào)整。 三、基本測試安裝 基本測試的管線安裝示于圖1。所有的配管由8in內(nèi)徑的40號碳鋼管（7.981in內(nèi)徑）制成，內(nèi)部焊縫磨光。測試的流量計安裝在90o長徑彎頭下游40D（D＝8in）、59D、97D處。彎頭的上游安裝一個 12in×16in×10in的Sprenkle流束整流器，整流器之后是一個 10in×8in的同心大小頭和43D 8in直管段直到彎頭。每臺流量計可在四個軸向位置中的兩個進行測試（見表2）。 表2 流量計在基準條件下的測試位置 對每一臺流量計的完整的測試計劃，要求在4個位置上都要進行測試。當(dāng)流量計以一個軸向安裝位置移到另一個位置時，上游和下游的直管段（分別是10D和5D）應(yīng)與流量計一起整體拆卸，以使連接流量計上游和下游的法蘭對中。與每一臺流量計有關(guān)的壓力和溫度變送器，在流量計位置變換時也應(yīng)保留在原直管段上以便減少附加誤差。 四、基本測試結(jié)果 2臺多聲道流量計（M1和M3）在基準安裝條件下的測試性能示于圖2和圖3。結(jié)果以百分誤差表示（相對于 MRFHPL臨界流噴嘴），其作為通過流量計的平均流速的函數(shù)。一個點代表了每個流量下6個重復(fù)測量的平均值，誤差帶表示95%置信水平。 對于流量計M1，在速度大于10ft/s時，所有的數(shù)據(jù)均落于0.4%范圍之內(nèi)，與速度無關(guān)（見圖2）。 在流速低于10 ft/s時，誤差曲線向上偏轉(zhuǎn)，這可能是一個正向的零偏差或者修正算法的偏離引起的，這不能完全認為是低流量下的速度剖面不同所造成的，或許是兩種影響的合成。 檢查流量計的零流量，指示出零點飄移量為0.01ft/s。如果去掉零飄移，向上的偏轉(zhuǎn)將會被拉平，由于最小的速度點（2.8ft/s）飄移為0.35%而在5.6ft/s的點飄移為0.18%。無論如何，這說明不能認為曲線向上偏轉(zhuǎn)完全是零點飄移引起的。 檢查流量較準曲線，顯示出當(dāng)流量計安裝在97D處和安裝在59D處測量的誤差之間有大約0.2%的差值。在97D處的誤差比59D處的誤差數(shù)值大（更向負方向）。類似的測量誤差也存在于 400 lb/in2（A）和 900lb/in2（A）的測試情況之中。 流量計M3的測量誤差與流經(jīng)流量計的速度有關(guān)，示于圖3。這臺流量計測量誤差的非線性特征不同于先前在MRF（Grimly）和其它地方（Van Bloemendaal和Van der Kam完成）做過的12in流量計的類似的實驗所觀察的結(jié)果。只有流量計安裝在59D處，在壓力400 lb/in2（A）狀態(tài)下收集到的數(shù)據(jù)，平均流速還在10ft/s以上時，誤差落在0.3%范圍之內(nèi)，當(dāng)速度增大時誤差曲線向下傾斜。 在59D、400 lb/in2（A）數(shù)據(jù)組中，個別聲道狀態(tài)信息表明，這是因為被測量的傳播時間不能通過內(nèi)一致性檢查。這可能就是與其它數(shù)據(jù)組有偏差的原因。 數(shù)據(jù)，包括可疑的數(shù)據(jù)組，在速度10 ft/s以上時，保持在0.5%誤差以內(nèi)，這些數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)壓力從400 lb/in2（A）增到900 lb/in2（A）時流量測量差值為0.2%。當(dāng)流量計在 59D與 97D處比較，壓力在900 lb/in2（A）時的現(xiàn)量結(jié)果差值為0.1%。 對于該差值的可能解釋是，在59D以后速度剖面繼續(xù)發(fā)展。通過單個聲道速度比的比較，可以看出速度剖面形狀改善。表3表示的是流量計M1在最大流量點，中心聲道速度（超聲聲道在管線軸中心線）對外部聲道速度的比值。流量計M3的類似的計算值示于表4。由于流量計具有唯一的聲道位置，對于不同的流量計型式不應(yīng)該進行比較。 然而，2臺流量計在59D和97D的試驗結(jié)果之間存在著一致性的差別。59D試驗數(shù)據(jù)的較小比值說明了該處的速度剖面比97D處的速度剖面具有較小的弧度。流量計的響應(yīng)性的差別也會有一個剖面靈敏性的結(jié)果。對速度剖面進行測量的目的是更好地特性化在基準安裝條件下的速度剖面。 表3 M1中心到外部的速度 表4 M3中心聲道到外部聲道的速度比 單聲道流量計M2（見圖4）安裝在78D處時有大約-1.2%的偏移；安裝在40D處有大約-1.8%的偏移，這臺流量計的結(jié)果說明，在流量測量中的誤差值與壓力無關(guān)，但與軸向位置有關(guān)。單聲道流量計M4在兩個軸向位置和兩個操作壓力的測試誤差曲線表示于圖5中。曲線表明有一個0.5%的平均偏差，這也表明，在線壓力比90o彎頭和流量計之間的距離對測量結(jié)果影響更大。 誤差曲線表明了速度在10ft/s以下，在400 lb/in2 （A）、78D處的數(shù)據(jù)大的偏差與其它結(jié)果的不一致性。通常，單聲道流量計的測量數(shù)據(jù)比多聲道流量計測量的數(shù)據(jù)更分散。由于這種流量計不具有多聲道超聲流量計平均氣流的優(yōu)點，這個分散是不奇怪的。單聲道流量計的這一特性在流量低于10ft/s時尤為明顯。 五、 安裝對測試的影響 到目前已經(jīng)實施的影響測試的安裝工藝示于圖6。單聲道流量計在兩個不同的位置1和2（一個單90o長徑L形彎管下游10D和19D）進行測試。多聲道流量計在兩個平面布置的彎頭下游，在位置3和4（第二個L形彎管下游10D和19D處）進行測試。 測試管線為裸管，在位置3和4上游安裝有2臺不同的流束整流器。第一臺流量計位于整流器出口下游5D處，這符合AGA 7號報告對渦輪流量計安裝的最低要求。另外，多聲道流量計的測試中，兩個平面彎頭的布置是與管道成水平方向設(shè)置的。由于這種布置代表著一種安裝形式，即彎頭提供了一個豎直的偏移，故流量計要旋轉(zhuǎn)90o以保持其測量聲道與流動干擾的相對正確方位。 六、 安裝對測試結(jié)果的影響 這些結(jié)果以與基準條件下的測試結(jié)果的偏差形式報告出來。 對于多聲道流量計M1和M3，流量計安裝在單90o彎管下游97D處取得的數(shù)據(jù)結(jié)果代表基準條件下的測試結(jié)果。單聲道流量計M2和M4，流量計安裝在90o彎管下游78D處，取得的結(jié)果用于基準條件下的測試結(jié)果?；鶞蕳l件下的測試結(jié)果是一個最接近優(yōu)化的工藝安裝所能得到的結(jié)果。 多聲道流量計M1在兩個平面彎頭下游10D處測試的結(jié)果示于圖7。測試結(jié)果表明，裸管安裝產(chǎn)生的測量誤差在基本測量結(jié)果的0.5%范圍之內(nèi)，相對誤差在0.3%～0.5%量級。相對誤差出現(xiàn)在高氣體流速情況。流量計安裝在第二個彎管下游10D處，配備有19管束整流器和GFC型整流器的測試結(jié)果沒有明顯的差別。在速度20ft/s以上，兩種整流器降低相對誤差至少到0.25%。 對于速度20ft/s以下，所有的結(jié)果趨于收斂，這表明流量計要么是對安裝布置產(chǎn)生的速度剖面敏感，要么是在這個速度范圍內(nèi)的速度剖面影響沒有明顯的差別。所計劃的速度剖面的測定將有助于解釋這些結(jié)果，它也將進一步對已經(jīng)收集的與單一聲道速度比有關(guān)的數(shù)據(jù)進行解釋。 安裝在兩個平面彎頭下游19D的流量計M1的測試結(jié)果示于圖8。裸管和19管束整流器的結(jié)果相對測量誤差都約為0.5%。當(dāng)流量計安裝在彎管下游19D處裸管測量的誤差比流量計安裝在10D處的誤差稍微大一些，在10ft/s速度以上，與GFC一起安裝的測量結(jié)果與基準條件下的測試結(jié)果相比較在0.l%之內(nèi)。另外，低流速時，測量結(jié)果收斂。 安裝在雙彎頭下游的多聲道流量計M3的測試結(jié)果（見圖9）表明，對于裸管，當(dāng)速度大于20ft/s，M3的誤差小于0.25%。19管束整流器和GFC整流器結(jié)果將裸管的測量結(jié)果包括在內(nèi)，具有-0.30%～25%的差值。相對誤差隨著流動速度的變化是由在97D、400 lb/in2（A）處基準條件下的測試數(shù)據(jù)（見圖3）的弧度引起的。 由安裝在19D處的流量計M3測試的裸管安裝條件下的結(jié)果示于圖10中，與10D位置的流量計數(shù)據(jù)相比偏移了大約0.2%，并且在20 ft/s速度以上，仍保持在基本測試結(jié)果的 0.25%之內(nèi)。除了最高流速以外，19管束整流器的數(shù)據(jù)接近一致。對于氣流速度45 ft/s以上，GFC產(chǎn)生的測量誤差比19管束整流器和裸管更接近于基準安裝條件下的誤差。 由圖7至圖10的測試結(jié)果表明，對多聲道超聲流量計使用整流器有一定益處，這取決于流量計的型式和位置。上面有些情況相對于基準條件下的測試誤差偏移會引起這樣的絕對誤差，這些絕對誤差實際上比基準條件下的結(jié)果更接近于零誤差。這個結(jié)果是由意外引起的還是流量計研究中因不夠理想的速度剖面引起的尚不清楚。 在一個90o長徑彎管下游10D和19D處安裝的單聲道流量計的測試結(jié)果示于圖11。測量結(jié)果表明誤差偏移相對于安裝在90o彎頭下游78D處的基準條件下的測試誤差約2%～2.2%。流量計繞軸線旋轉(zhuǎn)90o產(chǎn)生的附加誤差偏移為1.3%。 因為在這一例子中，單聲道流量計以其正常方位安裝，它的聲道與垂直方向成30o，很可能與流量計的安裝方位有關(guān)。在這種安裝中，流動的非對稱主要分量在垂直平面內(nèi)，當(dāng)流量計旋轉(zhuǎn)90o時，相對于流動干擾的聲道方位發(fā)生了變化。 安裝在彎頭下游19D的流量計M4除了90o位置外，相對于基準條件下的偏移約為1.5%～2%，結(jié)果示于圖12。由于測量聲道與垂直方向成45o應(yīng)該是這一原因，這臺流量計的測試結(jié)果說明與其位置基本無關(guān)。在這種情況，盡管當(dāng)流量計機體的軸中心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聲道位置相對于流動干擾仍保持一致。 七、結(jié) 論 基準條件下的測試說明，在一個長徑90o彎頭下游59D處流體速度剖面沒有充分發(fā)展，測試的流量計對隨后的發(fā)展中的速度剖面敏感。這表明測試的8in流量計的準確度可以通過流量校準得以改善。 8in的多聲道流量計的測試結(jié)果表明，使用整流器對改進測量準確度具有潛在好處。 單聲道流量計測試表明其具有潛能，在流場條件好的情況下，可以獲得優(yōu)于0.5%的測量準確度。通過安裝在一個單個的90o彎頭下游10D和19D處的流量計的測試說明流量計對一個簡單的擾流的敏感度。相對于基準條件下的測試，流量測量誤差范圍為1%～4%。 實驗測試結(jié)果只是一個大的測試計劃的初步，對取得的數(shù)據(jù)和來自這個測試計劃其它的試驗資料進行更加深人的分析，將獲得有關(guān)超聲流量計在高壓天然氣中應(yīng)用性能的新認識。