上游温度套管对超声流量计测量性能的影响及其对策

蔡浩晖

国家石油天然气大流量计量站 乌鲁木齐分站（新疆 昌吉831113）

超声流量计无可动部件，具有压力损失小、测量准确度较高、流量范围宽等优点，无须进行工艺调整就可以完成双向测量。因此，储气库一般选用超声流量计双向计量天然气流量[1-3]。为节省投资和方便管理，我国的储气库进出库天然气计量一般都用同一套计量系统进行注入和采出双向计量，一段时间正向运行，一段时间反向运行，正向运行和反向运行对超声流量计计量系统而言，不同之处在于正向运行时温度变送器在流量计的下游，反向运行时在流量计的上游，温度变送器需要配温度套管，GB∕T 18604—2014《用气体超声流量计测量天然气流量》规定：“如果超声流量计用于双向计量，测温孔应设在距流量计法兰端面3～5D（D为管道内径）之间。插入深度为1∕3D，对于大口径流量计（DN300及以上），插入深度不超过125 mm”[4]。对于超声流量计安装条件而言，温度套管相当于管道凸入物，会增加涡流、漩涡脱落等，引起管道内流场剖面发生变化，超声流量计的测量性能对流场剖面很敏感。通过实际测量，发现上游温度套管，对某些类型的超声流量计的测量性能影响在0.5%左右，对准确度为1%的流量计而言，是不可忽略的，对于计量交接相关方是不可接受的，需要深入研究，探讨对策。

1 上游温度套管对超声流量计的影响

不同的安装条件会造成超声流量计测量性能发生变化，国内外学者采用理论分析、数值仿真以及实流测试等方法对安装条件带来的影响进行了大量的研究，研究了超声流量计声道安装位置、换能器安装角度，超声流量计对流体形态的适应性和非理想流畅对流量计测量性能的影响等[5-12]，以及管壁粗糙度对超声流量计测量性能的影响[13]，但基本上没有上游管道凸入物对超声流量计测量性能影响的研究。JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》规定：“对于双向测量的流量计，温度测量位置应设在距离流量计至少5D处”[14]。与GB∕T 18604—2014相比，温度测量位置要求离流量计更远，以减小上游温度套管对流量计测量性能的影响。ISO 17089-1—2010《封闭管道中的流体流量测量－气体超声流量计第一部分：用于贸易交接和分配计量的流量计》[15]采用1条管路安装2台流量计，温度变送器安装在中间，正反向计量分别有各自的主流量计，如图1。这种方法可以有效避免上游温度变送器对流量计测量性能的影响，是可以借鉴的，但这种方法增加了成本。AGA9号报告《利用多声道超声流量计测量天然气流量》建议：“在双向流应用中，如果流动主要发生在一个方向上，那么建议在超声流量计主方向的下游设置温度测量装置。无需在超声流量计的上游安装温度测量装置，用于反向流量测量。”强调了主方向的计量，弱化了反向计量。

图1 双向计量超声流量计安装图

高压天然气管道的温度检测一般采用与介质非接触式，配套使用温度保护套管。温度保护套管相当于垂直于管道轴线的柱体，如图2。

流体流过温度套管相当于绕柱流动，绕过柱体的流速分布是一个幂级函数，在壁面处产生回流，柱体下游形成较宽的尾流，从而影响流场[16]。，管道中的高压天然气流过插入管道中的温度保护套管时，会在套管后部产生漩涡，漩涡沿套管两边以交替脱落，交替脱落的漩涡直接对套管产生横向力，此时套管被迫以斯特劳哈尔（Strouhal）频率振动。这是温度保护套管产生振动并断裂的主要原因，也是流场剖面发生变化的主要原因，如图3和图4。从图4的仿真结果可以看出套管附近流速明显增大。

图2 温度套管示意图

图3 温度套管下游大卡门涡流图

图4 套管附近流速分布

超声流量计是通过测量固定位置上各声道的流速，再通过各自特定的加权计算得到平均流速，乘以超声流量计截面积得到平均流量，管道内流体状态分布的不同，必然会影响超声流量计各声道流速的测量，进而可能影响平均流量。目前常见的有3种类型的超声流量计，按声道布置方式，分为反射式、四声道对射式、六声道对射式，均为多声道超声波气体流量计。不同类型流量计的声道位置不同、声道流速不同，受上游温度套管的影响也不同。

1.1 反射式超声流量计

反射式流量计分为六声道和四声道反射式超声流量计，其中六声道布置如图5所示。

其中第1、2、5、6路是双反射声道，其声道流速加权系数均为0.212 5，第3、4路是单反射声道，其声道流速加权系数均为0.075。四声道反射式超声流量计没有第5路和第6路双反射声道，第1、2声道的流速加权系数均为0.425，第3、4路的声道布置方式和声道流速加权系数与四声道超声流量计一样。

图5 六声道反射式超声流量计布置形式

从图5可以看出，4个双反射声道的流速合计权重为0.85，每个双反射声道中的3条折射声道有2条受温度套管引起的流场变化的影响，所以上游温度套管对A类型流量计的测量性能影响最大。

1.2 四声道对射式超声流量计

四声道对射式的超声流量计声道布置形式如图6所示。

图6 四声道对射式超声流量计布置形式

其中，B弦和C弦声道立管中心较近，其流速加权系数均为0.361 8，A弦和D弦声道离管中心较远，其流速加权系数均为0.183 2。

从图6可以看出，A弦在上游温度套管流场变化范围内，A声道流速受影响大，其余声道影响小，且A弦的流速加权系数为0.183 2，权重较低，故上游温度套管流场变化对四声道对射式的超声流量计的测量性能影响最小。

1.3 六声道对射式超声流量计

六声道对射式超声流量计的6个声道分3层布置，每层2个声道，声道布置形式如图7所示。

其中，level1和level3声道相对管中心对称，这两层的4个声道的流速加权系数均为0.125。过中心线的level2的2个声道的流速加权系数均为0.25。

从图7可以看出，level1的2个声道在上游温度套管流场变化范围内，level1声道流速受影响大，其余声道影响小，level1的2个声道的流速合计权重为0.25，上游温度套管流场变化对六声道对射式的超声流量计的测量性能影响介于上述两种类型流量计之间。

图7 六声道对射式超生流量计布置形式

2 实测验证

2.1 六声道对射式DN300超声流量计实测验证

对1台六声道对射式DN300超声流量计分别进行了温度套管安装在流量计上游和下游的实测，温度套管安装在流量计距离5D处，测试结果见表1。

表1 六声道对射式DN300超声流量计测试结果

由表1可知，当流量计上游安装温度套管，流量计计量结果相比温度套管安装在下游偏大0.5%左右，对计量结果影响较大。

流量计上游5D处增加温度套管后，流场发生了较大变化，相比流量计上游没有温度套管的情况，边声道5、6的流速变化较小，中心声道3、4的流速变小0.4%左右，边声道1、2的流速变大2.8%左右，随着流量的增大，流场变化趋向混乱。第3、4声道流速权重系数均为0.25，对计量的影响量是-0.2%左右，1、2声道流速权重系数均为0.125，对计量的影响量是0.7%左右，合计影响0.5%左右，详见表2。从图8可以直观看到第1、2声道温度套管在上下游安装条件下的变化。

表2 上游温度套管对六声道对射式DN300流量计的影响

图8 温度套管在上下游的声道流速影响图

2.2 四声道对射式DN200超声流量计实测验证

对1台四声道对射式DN200超声流量计分别进行了温度套管安装在流量计上游和下游的实测，温度套管安装在流量计上游12.5D处，测试结果见表3。

从表3可以看出，温度套管安装在上游时，靠近温度套管的流量计边声道流速偏大2%以上，导致流量计整体误差偏大0.2%以上，温度套管安装在流量计上游12.5D处，依然会对流量计测量性能造成不可忽视的影响。

表3 上游温度套管对四声道对射式DN200流量计的影响

对于双向计量的超声流量计，温度套管安装在上游5～12.5D时，会造成对射式多声道超声流量计的计量值偏大0.2%～0.5%（反射式超声流量计还没有实测验证）。不满足JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》[14]中“所用温度计的测量误差对检定结果造成的影响应在流量计最大允许误差的1∕5以内”的要求，建议温度套管在上游时，对流量计进行校准，校准时的安装条件需与现场使用安装条件相似，以保证计量相关方的利益。有必要修订GB∕T 18604—2014《用气体超声流量计测量天然气流量》[4]中流量计双向计量时的温度套管安装要求。

3 结论

1）上游温度套管会造成管道内流体剖面发生变化，进而影响超声流量计的测量性能。

2）温度套管安装在上游5～12.5D时，会造成对射式多声道超声流量计的计量值偏大0.2%～0.5%。

3）有必要修订GB∕T 18604—2014中超声流量计双向计量时的温度套管安装要求。

4）建议参照ISO 17089-1—2010中的要求设计双向计量超声流量计。

5）建议以现场安装条件相似的上游温度套管安装方式对流量计进行校准。