1 應(yīng)用背景
2003年山東天然氣管網(wǎng)采用的超聲波流量計(jì)進(jìn)行分段計(jì)量，由于超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度高、流量范圍寬、無(wú)壓力損失等優(yōu)點(diǎn)，在輸氣干線上安裝使用超聲波流量計(jì)不僅可以監(jiān)控分段輸差，而且可以使用流量平衡原理來(lái)檢測(cè)管道泄漏，對(duì)管道事故有一定的預(yù)警功能。當(dāng)時(shí)采用2500流量計(jì)算機(jī)與MarkⅡ超聲波流量計(jì)配套，系統(tǒng)運(yùn)行兩年后陸續(xù)有多臺(tái)2500流量計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，該產(chǎn)品廠家已無(wú)備件提供，需要更換為S600流量計(jì)算機(jī)。廠家提出更換的流量計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，而我單位使用2500型流量計(jì)算機(jī)多臺(tái)，如果都因配件原因更換流量計(jì)算機(jī)將給企業(yè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此，選用FC2000-1AD來(lái)替代。
2 流量計(jì)算原理
通過(guò)查找流量計(jì)算機(jī)資料，對(duì)照GB/T18604《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，發(fā)現(xiàn)2500流量計(jì)算機(jī)計(jì)算公式為：
式中：qn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)流量，m3/s；qf為工作條件下的瞬時(shí)流量，m3/s；pn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓力，MPa；pf為工作條件下的壓力，MPa；Tn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的熱力學(xué)溫度，K；Tf為工作條件下的熱力學(xué)溫度，K；Zn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子；Zf為工作條件下的壓縮因子。
qf由超聲波流量計(jì)基于時(shí)差法測(cè)量得出，通過(guò)RS485通信傳輸給流量計(jì)算機(jī)，流量計(jì)算機(jī)通過(guò)壓力變送器和溫度變送器采集管道流體的壓力和溫度，通過(guò)流量計(jì)算機(jī)固化的壓縮因子計(jì)算軟件得出工作條件下的壓縮因子，最后按上式計(jì)算瞬時(shí)流量和累積流量。
通過(guò)CUI軟件查找MarkⅡ中的參數(shù)，找到超聲波流量計(jì)提供工作條件的瞬時(shí)流量頻率輸出接口，因此流量計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>
式中：N為工作條件下流量脈沖數(shù)；K為流量計(jì)儀表系數(shù)，m3/N。
從式（1）和式（2）可以看出共有qf、pn、pf、Tn、Tf、Zn、Zf7個(gè)參數(shù)參與標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)流量的計(jì)算，其中qf來(lái)自MarkⅡ超聲波流量計(jì)，pa和Ta是標(biāo)準(zhǔn)參比條件是已知量（pa=0.101325MPa，Ta=293.15K），pf和Tf通過(guò)流量?jī)x表實(shí)時(shí)采集溫度變送器和壓力變送器的輸出可以獲得，只有Zn（天然氣的標(biāo)況壓縮因子）和Zf（工況壓縮因子）無(wú)法直接獲得，需要流量補(bǔ)償儀表根據(jù)天然氣的組份和實(shí)際的工況依據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算獲得，而且只有實(shí)時(shí)計(jì)算才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，采用輸入固定值的方式會(huì)帶來(lái)比較大的誤差。天然氣流量的測(cè)量不同于普通氣體，由于其是含烴類(lèi)物質(zhì)的混合氣體，在工況體積與標(biāo)況體積換算時(shí)必須考慮壓縮因子。SY/T6143―2004《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中目前天然氣壓縮因子的計(jì)算的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T17747―1999。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了天然氣的壓縮因子有兩種計(jì)算方法：GB/T17747.2―1999《天然氣壓縮因子計(jì)算第2部分：用摩爾組成進(jìn)行計(jì)算》及GB/T17747.3―1999《天然氣壓縮因子計(jì)算第3部分：用物性值進(jìn)行計(jì)算》
天然氣壓縮因子的計(jì)算方法如下：
式中：p為絕壓，MPa；T為熱力學(xué)溫度，T=273.15+t，K；ρm為摩爾密度；ρr為對(duì)比密度，ρr=K3ρm；R為摩爾氣體常數(shù)，R=0.008314510；K為混合物體積參數(shù)。
從式（3）至式（8）可以看出，對(duì)于壓縮因子Zf的計(jì)算包含了大量的異常復(fù)雜的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，因此只有支持符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的天然氣壓縮因子計(jì)算、支持脈沖信號(hào)和模擬信號(hào)采集、支持RS485通訊的流量二次儀表才能滿足天然氣流量計(jì)量的要求。
3 FC2000-1AD流量計(jì)算機(jī)安裝與試驗(yàn)
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)大量的流量?jī)x表的比較，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)眾多的流量二次儀表還只是停留在簡(jiǎn)單的溫壓補(bǔ)償，而沒(méi)有針對(duì)烴類(lèi)物質(zhì)的壓縮因子的計(jì)算，無(wú)法滿足天然氣流量計(jì)量的要求，因此選用了北京博思達(dá)新世紀(jì)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FC2000-1AD流量計(jì)算機(jī)。
FC2000-1AD流量計(jì)算機(jī)是一款具有高精度補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)以及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊功能的新一代計(jì)量?jī)x表，可同時(shí)完成多種補(bǔ)償運(yùn)算（溫度、壓力、濕度、密度、組分等）。對(duì)流速可膨脹系數(shù)ε、壓縮因子Z等參數(shù)作為動(dòng)態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)運(yùn)算。遵循標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T2624―93，GB/T18215.1―2000，GB/T18604，SY/T6143―2004，ISO5167―1，ISO3966，ISO7145―1982，AGA8號(hào)報(bào)告，NX19等?？梢灾С郑?～20mA、脈沖、RS485等多種信號(hào)輸入，故可與超聲波流量計(jì)配套使用。
（1）首先將超聲波流量計(jì)RS485通信輸出方式改為頻率信號(hào)輸出方式，頻率輸出方式是在PFC電路板上通過(guò)跳線進(jìn)行設(shè)置。超聲波流量計(jì)的頻率輸出使用的是0～1000Hz或0～5000Hz的頻率信號(hào)。頻率輸出精確度為±0.01%。而FC2000-1AD流量計(jì)算機(jī)允許輸入的脈沖信號(hào)的頻率范圍為0～10000Hz，可以滿足超聲波流量計(jì)的要求。
（2）FC2000-1AD流量計(jì)算機(jī)與超聲波流量計(jì)的配套使用：在山東天然氣管網(wǎng)干線已經(jīng)使用3臺(tái)FC2000-1AD流量計(jì)算替換了出現(xiàn)故障的2500流量計(jì)算機(jī)。投運(yùn)至今已有一年，通過(guò)一年以來(lái)與山東天然氣管網(wǎng)干線其它使用S600的流量計(jì)算機(jī)的計(jì)量對(duì)比，F(xiàn)C2000-1AD流量計(jì)算機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工作需要，并且可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。根據(jù)我們實(shí)踐證明：可以使用FC2000-1AD流量計(jì)算機(jī)代替S600與超聲波流量計(jì)配套使用。
4 結(jié)論
使用國(guó)產(chǎn)流量計(jì)算機(jī)與氣體超聲流量計(jì)配套，不但能夠滿足天然氣計(jì)量的需要，而且能夠長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，為以后對(duì)出現(xiàn)故障的2500、S500等類(lèi)型的進(jìn)口流量計(jì)算機(jī)的更換摸索了一條新路。
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