摘 要：在德克薩斯州圣安東尼奧氣體研究院的流量計(jì)研究裝置上對單聲道和多聲道超聲流量計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)，建立基準(zhǔn)條件并且對在基準(zhǔn)安裝條件下和其它的管線安裝情況下的性能進(jìn)行評定。試驗(yàn)的目的是確定8in單聲道和多聲道流量計(jì)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(shí)它們的性能如何。將試驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以做出深入的評估。8in的多聲道流量計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果表明，整流器具有改進(jìn)其測量準(zhǔn)確度的功能，這取決于流量計(jì)的型式和相對于干擾源的位置。單聲道流量計(jì)的試驗(yàn)表明，在良好的流場條件下可以獲得優(yōu)于0.5%的準(zhǔn)確度。由安裝在上游的一個(gè)90o彎頭說明了流量計(jì)對簡單的擾流的敏感程度。在這些試驗(yàn)中相對于基準(zhǔn)試驗(yàn)安裝流量測量誤差范圍在1%～4%。 一、前 言 超聲流量計(jì)是通過測量超聲波脈沖在流體中的傳播時(shí)間導(dǎo)出氣體體積流量的。對于1臺超聲流量計(jì)，由于確定流量準(zhǔn)確度是流量計(jì)設(shè)計(jì)和計(jì)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(jì)測量流量，對已確定的流出系數(shù)的準(zhǔn)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(bào)告建議了最小的直管段長度、管徑的變化、孔板流量計(jì)上游的安裝要求。當(dāng)孔板流量計(jì)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(jì)因流體對轉(zhuǎn)子的作用也改進(jìn)了流動(dòng)剖面。由于進(jìn)口流動(dòng)剖面的改進(jìn)，使渦輪流量計(jì)的性能也得到了改進(jìn)。由于渦輪流量計(jì)對速度剖面的非對稱性敏感，為此，AGA7號報(bào)告要求渦輪流量計(jì)使用整流器以消除進(jìn)口的流動(dòng)旋渦。 由于超聲波流量計(jì)基本上沒有影響人口流動(dòng)的障礙物，流量計(jì)不會改變流動(dòng)剖面，這種流量計(jì)根據(jù)流量計(jì)取得的流動(dòng)樣，依據(jù)可靠的計(jì)算方法準(zhǔn)確地確定流量。 在多聲道超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)中，制造者嘗試對流量計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以降低它們對流動(dòng)干擾的敏感。如果流量計(jì)可以對所有的流動(dòng)干擾做修正補(bǔ)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(jì)性能的資料，對整流器與超聲流量計(jì)聯(lián)合應(yīng)用仍有興趣。根據(jù)其它型式的流量計(jì)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，整流器意味著潛在的效益。 作為一個(gè)替代多聲道流量計(jì)的有效益的方案，與價(jià)格便宜的單聲道超聲波流量計(jì)一起使用整流器也是有意義的。另外，有少量可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了使用整流器的單聲道流量計(jì)的性能。 這些結(jié)果得自第一部分試驗(yàn)，這些試驗(yàn)試圖確定8in單聲道和多聲道超聲流量計(jì)以不同配管安裝和當(dāng)與1臺整流器聯(lián)合使用的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)是在試驗(yàn)流量計(jì)上游設(shè)置一個(gè)彎管或兩個(gè)彎管，并且在流量計(jì)加裝或不裝整流器的情況下運(yùn)行的。 進(jìn)一步的試驗(yàn)是打算評估雙向流量計(jì)測量性能和流量低于流量計(jì)能力1%時(shí)的流量測量準(zhǔn)確度。在流體可以是雙向流動(dòng)的地方，如地下儲氣設(shè)施，計(jì)劃安裝超聲流量計(jì)的人們對雙向測量性能是關(guān)注的。 對于一個(gè)計(jì)量站的安裝，需要確定流量計(jì)的數(shù)量和口徑，因?yàn)榱砍瘫鹊脑?，低流量的測量性能也應(yīng)關(guān)注。 二、試驗(yàn)方法 流量計(jì)安裝在高壓環(huán)路（HPL）的測試管段上，試驗(yàn)介質(zhì)為輸送級的天然氣。同時(shí)收集超聲流量計(jì)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(zhǔn)。 在不同的壓力下，5個(gè)雙加權(quán)的音速噴嘴相對于HPL稱重罐系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。所有的校準(zhǔn)，由1臺在線氣相色譜儀和 AGA 8號報(bào)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(jì)下游兩倍管徑處測量。氣體溫度在每臺流量計(jì)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(jì)測出的氣體體積一起被用于計(jì)算超聲流量計(jì)的質(zhì)量流量，這個(gè)質(zhì)量流量再用來與臨界流噴嘴確定的流量進(jìn)行比較。 根據(jù)制造廠選用的方案，超聲流量計(jì)可以用不同的方法得到體積流量。流量計(jì)M3和M4內(nèi)部的校準(zhǔn)方法用來計(jì)算總的氣體體積和運(yùn)行期間的時(shí)間。然后根據(jù)總的量計(jì)算平均流量。 流量計(jì)M1和M2報(bào)告（測量）實(shí)際流量，每秒提供一次流量值，確定平均體積流量。單個(gè)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(dòng)環(huán)道的可循環(huán)氣體構(gòu)成，并達(dá)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(gè)測試點(diǎn)由流量和其它度量90s周期內(nèi)計(jì)算的平均值組成。一個(gè)測試點(diǎn)要重復(fù)6次以計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。測量數(shù)據(jù)同時(shí)也由2臺渦輪流量計(jì)采集。渦輪流量計(jì)的數(shù)據(jù)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的一致性。 用于本次試驗(yàn)的4臺流量計(jì)由制造廠提供，它們都是可商業(yè)化的。在本項(xiàng)目試驗(yàn)前沒有做過流量校準(zhǔn)。4臺流量計(jì)有2臺多聲道的，有2臺單聲道的。表1給出了流量計(jì)聲道布置情況。 表1 測試流詛計(jì)幾何參數(shù) 所有流量計(jì)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(jì)交換。制造廠家提供了根據(jù)專用程序?qū)C(jī)械、電子和其它測量的流量計(jì)設(shè)定參數(shù)。在測試的時(shí)候，用與流量計(jì)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(jì)內(nèi)部的電子學(xué)的流體性質(zhì)）根據(jù)需要每次進(jìn)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(jì)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(gè) 12in×16in×10in的Sprenkle流束整流器，整流器之后是一個(gè) 10in×8in的同心大小頭和43D 8in直管段直到彎頭。每臺流量計(jì)可在四個(gè)軸向位置中的兩個(gè)進(jìn)行測試（見表2）。 表2 流量計(jì)在基準(zhǔn)條件下的測試位置 對每一臺流量計(jì)的完整的測試計(jì)劃，要求在4個(gè)位置上都要進(jìn)行測試。當(dāng)流量計(jì)以一個(gè)軸向安裝位置移到另一個(gè)位置時(shí)，上游和下游的直管段（分別是10D和5D）應(yīng)與流量計(jì)一起整體拆卸，以使連接流量計(jì)上游和下游的法蘭對中。與每一臺流量計(jì)有關(guān)的壓力和溫度變送器，在流量計(jì)位置變換時(shí)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(jì)（M1和M3）在基準(zhǔn)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(jì)的平均流速的函數(shù)。一個(gè)點(diǎn)代表了每個(gè)流量下6個(gè)重復(fù)測量的平均值，誤差帶表示95%置信水平。 對于流量計(jì)M1，在速度大于10ft/s時(shí)，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(shí)，誤差曲線向上偏轉(zhuǎn)，這可能是一個(gè)正向的零偏差或者修正算法的偏離引起的，這不能完全認(rèn)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(jì)的零流量，指示出零點(diǎn)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(diǎn)（2.8ft/s）飄移為0.35%而在5.6ft/s的點(diǎn)飄移為0.18%。無論如何，這說明不能認(rèn)為曲線向上偏轉(zhuǎn)完全是零點(diǎn)飄移引起的。 檢查流量較準(zhǔn)曲線，顯示出當(dāng)流量計(jì)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(fù)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(jì)M3的測量誤差與流經(jīng)流量計(jì)的速度有關(guān)，示于圖3。這臺流量計(jì)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(jì)的類似的實(shí)驗(yàn)所觀察的結(jié)果。只有流量計(jì)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(shí)，誤差落在0.3%范圍之內(nèi)，當(dāng)速度增大時(shí)誤差曲線向下傾斜。 在59D、400 lb/in2（A）數(shù)據(jù)組中，個(gè)別聲道狀態(tài)信息表明，這是因?yàn)楸粶y量的傳播時(shí)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(shí)，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(shí)流量測量差值為0.2%。當(dāng)流量計(jì)在 59D與 97D處比較，壓力在900 lb/in2（A）時(shí)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(gè)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(jì)M1在最大流量點(diǎn)，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(jì)M3的類似的計(jì)算值示于表4。由于流量計(jì)具有唯一的聲道位置，對于不同的流量計(jì)型式不應(yīng)該進(jìn)行比較。 然而，2臺流量計(jì)在59D和97D的試驗(yàn)結(jié)果之間存在著一致性的差別。59D試驗(yàn)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(jì)的響應(yīng)性的差別也會有一個(gè)剖面靈敏性的結(jié)果。對速度剖面進(jìn)行測量的目的是更好地特性化在基準(zhǔn)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(jì)M2（見圖4）安裝在78D處時(shí)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(jì)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(jì)M4在兩個(gè)軸向位置和兩個(gè)操作壓力的測試誤差曲線表示于圖5中。曲線表明有一個(gè)0.5%的平均偏差，這也表明，在線壓力比90o彎頭和流量計(jì)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(jì)的測量數(shù)據(jù)比多聲道流量計(jì)測量的數(shù)據(jù)更分散。由于這種流量計(jì)不具有多聲道超聲流量計(jì)平均氣流的優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)分散是不奇怪的。單聲道流量計(jì)的這一特性在流量低于10ft/s時(shí)尤為明顯。 五、 安裝對測試的影響 到目前已經(jīng)實(shí)施的影響測試的安裝工藝示于圖6。單聲道流量計(jì)在兩個(gè)不同的位置1和2（一個(gè)單90o長徑L形彎管下游10D和19D）進(jìn)行測試。多聲道流量計(jì)在兩個(gè)平面布置的彎頭下游，在位置3和4（第二個(gè)L形彎管下游10D和19D處）進(jìn)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(jì)位于整流器出口下游5D處，這符合AGA 7號報(bào)告對渦輪流量計(jì)安裝的最低要求。另外，多聲道流量計(jì)的測試中，兩個(gè)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(gè)豎直的偏移，故流量計(jì)要旋轉(zhuǎn)90o以保持其測量聲道與流動(dòng)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(zhǔn)條件下的測試結(jié)果的偏差形式報(bào)告出來。 對于多聲道流量計(jì)M1和M3，流量計(jì)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(zhǔn)條件下的測試結(jié)果。單聲道流量計(jì)M2和M4，流量計(jì)安裝在90o彎管下游78D處，取得的結(jié)果用于基準(zhǔn)條件下的測試結(jié)果。基準(zhǔn)條件下的測試結(jié)果是一個(gè)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(jì)M1在兩個(gè)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(jì)安裝在第二個(gè)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(jì)要么是對安裝布置產(chǎn)生的速度剖面敏感，要么是在這個(gè)速度范圍內(nèi)的速度剖面影響沒有明顯的差別。所計(jì)劃的速度剖面的測定將有助于解釋這些結(jié)果，它也將進(jìn)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(jìn)行解釋。 安裝在兩個(gè)平面彎頭下游19D的流量計(jì)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(jì)安裝在彎管下游19D處裸管測量的誤差比流量計(jì)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(zhǔn)條件下的測試結(jié)果相比較在0.l%之內(nèi)。另外，低流速時(shí)，測量結(jié)果收斂。 安裝在雙彎頭下游的多聲道流量計(jì)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(dòng)速度的變化是由在97D、400 lb/in2（A）處基準(zhǔn)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(jì)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(jì)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(zhǔn)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(jì)使用整流器有一定益處，這取決于流量計(jì)的型式和位置。上面有些情況相對于基準(zhǔn)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(shí)際上比基準(zhǔn)條件下的結(jié)果更接近于零誤差。這個(gè)結(jié)果是由意外引起的還是流量計(jì)研究中因不夠理想的速度剖面引起的尚不清楚。 在一個(gè)90o長徑彎管下游10D和19D處安裝的單聲道流量計(jì)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(zhǔn)條件下的測試誤差約2%～2.2%。流量計(jì)繞軸線旋轉(zhuǎn)90o產(chǎn)生的附加誤差偏移為1.3%。 因?yàn)樵谶@一例子中，單聲道流量計(jì)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(jì)的安裝方位有關(guān)。在這種安裝中，流動(dòng)的非對稱主要分量在垂直平面內(nèi)，當(dāng)流量計(jì)旋轉(zhuǎn)90o時(shí)，相對于流動(dòng)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(jì)M4除了90o位置外，相對于基準(zhǔn)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(jì)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(jì)機(jī)體的軸中心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聲道位置相對于流動(dòng)干擾仍保持一致。 七、結(jié) 論 基準(zhǔn)條件下的測試說明，在一個(gè)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(jì)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(jì)的準(zhǔn)確度可以通過流量校準(zhǔn)得以改善。 8in的多聲道流量計(jì)的測試結(jié)果表明，使用整流器對改進(jìn)測量準(zhǔn)確度具有潛在好處。 單聲道流量計(jì)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(zhǔn)確度。通過安裝在一個(gè)單個(gè)的90o彎頭下游10D和19D處的流量計(jì)的測試說明流量計(jì)對一個(gè)簡單的擾流的敏感度。相對于基準(zhǔn)條件下的測試，流量測量誤差范圍為1%～4%。 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果只是一個(gè)大的測試計(jì)劃的初步，對取得的數(shù)據(jù)和來自這個(gè)測試計(jì)劃其它的試驗(yàn)資料進(jìn)行更加深人的分析，將獲得有關(guān)超聲流量計(jì)在高壓天然氣中應(yīng)用性能的新認(rèn)識。