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 技术论文
 

天然气计量站内 24″ANSI 600测量管线上超声流量计和涡街流量计
因扰动产生的流量偏差的分析和消除

A. Brümmer, H. Slawig, H. J?kel

晁宏洲译 王文华校
(塔里木油田分公司计量检定测试中心)


1 引言

    在德国东部地区 VNG操作着大约4,500英里的天然气管网(图1)。该管输网络中最重要的一个站位于Magdeburg北部40英里的Steinitz天然气转输站。从运行开始,该站布置了5条测量管线G4000(最大的为6,500m 3 /h),每条管线上安装了永久系列的涡轮流量计(TRZ)和涡街流量计(WBZ)。

图 1: 德国东部地区 VNG天然气管输网络中“Steinitz”站的位置

    从系统设计的观点看,自 2000年开始,充分扩大站内的转运能力变的很重要。为此目的,在扩建中增加了3条相似的测量管线。为了费用的目的并且为了方便操作,优先选择增加建造一条24″ANSI 600测量管线上安装永久系列的超声流量计(USZ)和G2500涡街流量计(最大40,000 m 3 /h),同时在下游安装控制阀。为了减小建造长度,根据VNG的建议,在涡街流量计的入口区布置了超声流量计。对超声流量计的批准使用如同对涡街流量计的批准使用一样,将会作出相应改变。

    这种方法除了一些显见的优越性外(没有可动机械元件,足够高的符合安全性,长期稳定性,大的吞吐量管线,超声流量计的自诊断选项,短的建造长度),欲安装的控制单元的超声波的发射从开始与超声流量计相比就被认为是良好的。对于新的安装,为了得到设计的安全性,对 Sayda地区12″ANSI 600天然气测量部分超声流量计控制阀的每个建造设计的影响进行了检查。在这种情况下,证明控制球阀是最满意的变数。同时,与其它电机相比,在满负荷量程范围内,控制球阀表现出相当低的压力损失。为此原因,下面示出Steinitz控制球阀安装的正视图。

图 2: 满负荷下低发射能量损失和压力损失的 ARTEC控制球阀

2 初步检查

    新的测量部分在 1998年11月份投入运行。然而,即使在小体积流量(流速大约为3m/s),由于超声波扰动噪声太大而致使超声流量计的运行总体上失败。噪声的来源不是控制球阀而是额外安装的超声消音器。这种扰动通过去除消音器又重新安装的方式很快得以消除。

    而且,在开始阶段,就检测到超声流量计和涡街流量计之间大约 1.3%的相当大的同步性偏差。这个事实不是普遍存在的,因为在高压测试中,两种流量计相互都有一个最大的0.5%的偏差,并且这种偏差甚至在流量计算机中才得以校正。

    为了消除同步性偏差,在两次高压测试前进行了各种测试,并且实现了在入口段扩展 40倍管径长度的直管段。然而,涡街流量计再次表现出与高压测试相似的变化趋势。超声流量计也检查出有0.5%的系统偏移。直到今天为止,仍然没有可能可以阐明这种偏移的原因。

    从重建的测试部分开始运行以后,检测出只有更新后的高压测试产生了偏移的减小,直到现在的 0.8%。入口段的扩展对流量计的同步性能不产生影响。对于用于财务结算的测量这种状况还不够令人满意。为此原因,安装了第三套测量设备,一台G16,000涡轮流量计(TRZ)(最大流量25000 m 3 /h)。通过比对这些流量计,有可能确认出涡街流量计是基本的偏移来源。最终,作为事实确定下来是管线结构布置影响了涡街流量计。

    为了分析出造成这种影响的机械原因,第一步由流量计的生产厂家进行了脉动测量。在这种情况下,对于涡街流量计,没有任何的临界值。随后,通过重复操作,与管道布置有关的一些因素(入口扰动,流量计算机的作用,压力和温度传感器)都被排除了。所以最终可能的原因是位于下游 30m的控制球阀(大约50倍管径)。为了检查出这种影响变量,进行了许多测试。在测试阶段,降低对计量站入口和出口的差压,因此控制球阀的开度可以从20%提高到80%。以超声流量计作参考,涡街流量计测量属性的变化表示在图3中。

图 3: 控制球阀不同开度下超声流量计和涡街流量计修正标准体积流量的偏差

    结果表明,在各个工作点上,涡街流量计和超声流量计只表现出大约 0.3%的同步性偏差。得到了大约1%的偏移量。结果,解决“同步性差异”的下列问题被提了出来。

    位于上游侧 50倍管径处的控制球阀如何对涡街流量计产生影响?

    为了减小这种同步性偏差需要做哪些技术性改造?

3 脉动和振动测量

    为了阐明这些问题, KCE参与了工作。他们对站内的测量部分进行了全面的测试技术性的检查(图4)。在这种情况下,天然气中各个位置上的压力波动和涡街流量计结构的变化被同时记录下来,包括邻近测量部分的声强。同时,流量计需要的信号和压力损失数据也记录下来。在常压下,对计量站的测量部分在不同的体积流量下和球阀两侧不同的差压下进行了测试。

图 4: 24″ANSI 600管线上的布置和压力测量点的位置与名称

( TRZ 涡轮流量计)

( WBZ 涡街流量计)

( USZ 超声流量计)

那么,对于每台流量计来说,操作的体积流量由测量到的成直角的冲击决定。通过下面的关系式

偏差 E WBZ 就计算出来。图5中在不同的标准体积流量下,用偏差对差压作用来进行表示。

图 5: 在不同标准体积流量下,对不同的差压,

涡街流量计和超声流量计的操作体积流量百分偏差

    在每个标准体积流量下,偏差 E WBZ 和控制球阀两侧的差压之间系统相关性是显著的。随着差压的提高,与超声流量计相比,涡街流量计操作体积流量会逐步变小。大到0.8%的同步性变化很清楚是由控制球阀造成的。因为在恒定的标准体积流量和静压下,没有别的影响参数(例如当时的速度剖面,旋流)发生变化。

    此外,有效的压力波动显示出体积流量和差压之间的系统相关性(图 6)。随着流量和差压的提高,压力波动强度会变大。

图 6: 不同的标准体积流量下 MP8测量点上

压力波动的有效值对压降的曲线(包括喷嘴共振)

    很显然,在天然气流量测量中,同步性和压力波动之间有内在的相关性。为了进一步分析,对测量部分相关的声学共振是否建立了相关性进行了检查。对于这些共振已知的事实是它们只是在涡街流量计内造成紊乱的指示。通过比较在不同位置上同时测量的压力信号,这一点可以排除(图 7)。只有在MP6测量点上测得的,大约为32Hz的周期性压力波动,才得到了承认。这个压力波动是由于涡街流量计内旋涡脱落造成的。

图 7: 1,000,000N m 3 /h标准体积流量和MP5—MP1 0.53MPa差压下,

在 MP8、MP6、MP3三点上同时测得的压力波动振幅频谱

    压力波动的有效值更多的受控于宽带噪声和独立的喷嘴共振( MP8测量点大约为1,100Hz)(图8)。超过200 Hz,声强随差压增大。在这个频率范围内,随着差压逐渐增大,控制球阀发射出较大的声音输出信号,它往下游方向传播,也向上游方向传播——也就是向测量部分的方向。

图 8: 标准体积流量 500,000Nm 3 /h下,MP5—MP1不同差压下,

MP8测量点声强对3/8频率曲线(包括喷嘴共振)

    涡街流量计和超声流量计之间,在控制球阀位置的设置上和同步性上再找不出任何的系统相关性。因此,有强烈的倾向可以作出假设,涡街流量计是受到随机的压力波动和 /或响应的速度波动的影响。按照文献中专业性的研究成果,有可能确证这个观点[1-5]。通过风洞分析验证,旋涡脱落频率(斯特劳哈尔数)不仅是雷诺数的函数,同时也是流体扰动程度和相关的扰动附着长度的因子。在恒定的平均流速下,随着天然气流体中扰动程度的增大,涡街流量计显示的体积流量会相应变小。在目前的情况下,这与观测到的涡街流量计的性能一致。

图 9: 风洞流量范围内不同扰动程度和附着长度下

测量的斯特劳哈尔数—两个旋涡发生体距离的曲线

4 补救措施

    控制球阀对涡街流量计和超声流量计之间同步性造成影响的原因可以在声强并且大半也在扰动程度的增强中看出来。随着扰动程度的增大,在恒定的平均流速下(累诺数)下,旋涡的脱落频率降低了。因而,由涡街流量计显示的体积流量就太小了。

    在这种情况下,补救措施必须瞄准存在于测量部分的声音输出的减小和 /或扰动程度的减小。不幸的是,所需要的衰减不能被准确指定。为此目的,在高压测试中,声音和/或扰动情况就不得不被记录下来。

作为可能的补救措施, KCE对

l 吸收消音器;

l 可选择的球阀;

    l 为控制球阀减小声音的测量设备的安装进行了比较和评价。与此同步进行的是为控制球阀降低声音的可能措施。这包括把控制球上的控制圆盘替换为两个特别设计的多孔圆盘(图 10)[6-8]。当控制球阀进入开启状态,就不再是留出一个空隙让流体通过,而是在进口和出口侧凿更多的孔。同时,随着开度增大,凿孔孔径逐渐变大。在这种方式下,控制球阀全开状态下的压力损失会保持在一个更能被接受的水平。

图 10: 25°开度控制球阀略图,

为降低控制球阀的声音和扰动发射而特别设计的控制圆盘

    声音减小取得良好效果的补救措施在一个较小的控制球阀上得到了验证,所以决定重建 24″ANSI 600测量管线上的控制球阀。在2001年5月,安装了多孔圆盘的管线投入了运行。对天然气中声强修正的效果以一种示范的方式在图11中进行了说明。

图 11: 500,000Nm 3 /h标准体积流量和差压0.5MPa时,

MP8测量点上3/8音阶频率下声强,控制球阀特别设计(多孔圆盘)

多孔圆盘的使用将累积声强值降至大约 8dB,在标准体积流量720,000Nm 3 /h和差压0.36MPa下,包括周围管路在内的控制球阀声源强度为大约89 dB。造成这种降低的原因包括上面压力波动的增强和大约3KHz的频率降低。正如所期待的,多孔圆盘的使用导致了最大发射声波频率的提高。

    补救措施也对超声流量计和涡街流量计的同步性有决定性的影响。压力的降低和流量波动导致涡街流量计的操作体积流量发生了很大的变化。

图 12: 使用多孔圆盘前后涡街流量计

和超声流量计之间操作体积流量偏差的变化

    考虑到流量计性能,高压测试管线进行了温度和压力补偿,最终,建立起了可接受的同步性,满足了所有相关团体的要求。

图 13: 涡街流量计和超声流量计之间包括所有修正(高压测试、压力、温度)的

标准体积流量百分偏差—控制球阀两侧不同差压下的标准体积流量

5 总结

    天然气新建计量站的初始阶段,检测到了系列安装的超声流量计和涡街流量计之间的相当大的同步性偏差。为了消除这种差异,流量计的入口区扩展到了 40倍管径直管段长度。对两种流量计又进行了高压测试。更新后的高压测试显示出对超声流量计有0.5%的偏移。对此现象至今没有作出解释,并且这导致了同步性差异的相应减小。入口段的扩展没有产生任何改进。测量设备的同步性还是不可接受。

    在附加安装了涡轮流量计后,可以肯定地确认涡街流量计是偏移的最基本来源。同时,同步性对安装在下游 50倍管径长度处的控制球阀依赖性得以确定。在对具体的脉动测量进行验证后,发现在控制球阀两侧的差压,测量部分的随机的压力和流速波动以及存在于超声流量计和涡街流量计之间的同步性差异之间有一种系统相关性。很明显,在稳定体积流量下涡街流量计流体扰动的增大,产生了减小的迹象。在恒定的雷诺数时,旋涡脱落频率(斯特劳哈尔数)会随扰动增强(特别是强度和附着长度)而降低。

    作为一种补救措施,在控制球阀上安装了多孔圆盘因此天然气通过量不再必须流过缺口而是流过多个钻孔。在这种情况下,钻孔的数量和孔径随控制球阀的开度增大而增多和增大。借助这种补救措施,天然气流量的随机波动被大大降低。同时,涡街流量计和超声流量计之间的同步性也得到明显提高并在后来被所有团体接受。

6 符号

D 管径

E WBZ 超声流量计和涡街流量计之间操作体积流量的偏差(公式( 1 ))

E* WBZ 超声流量计和涡街流量计之间经过修正的标准体积流量的偏差

V WBZ 涡街流量计操作体积流量

V USZ 超声流量计操作体积流量

TRZ 涡轮流量计

USZ 超声流量计

WBZ 涡街流量计

7 参考文献

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Final report for the DFG research project: ?Akustische

Reflexion und Transmission von Einbauten in durchstr?mten

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