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中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
Gs/T 18604-2001
用气体超声流量计测量天然气流量
Measurement of natural gas flow by ultrasonic flow meter
2001一12一30发布 2002一08一01实施
人 民 共 和 国
量 监 督检 验 检 疫 总 局 发 布
cB/T 18604一~2001
目 次
pa舀 ·······································································································。··········⋯⋯ 工
1 范围 ···················································································..··························⋯⋯ 1
2 引用标 准 ······,··································································································⋯⋯ 1
3 术语和符号 ······························································。·······································⋯⋯ 1
4 测量原理 ····················。····················································································⋯⋯ 4
5 工作条件 ··························································································。··············⋯⋯ 4
6 测量性能要求 ··························································································。···。····⋯⋯ 5
7 流量计要求 。·····································································································⋯⋯ 6
8 安装要求及维护 ···················································。··················。···..·..·..·······..·...⋯⋯ 9
9 现场验证测试要求·····························································⋯⋯,..···········.·..·..·....⋯⋯ 10
10 流量计算方法及测量不确定度估算 ······。····························,······⋯⋯。·..·..·······..·..·.⋯⋯ 11
附录A(
的附录) 出厂测试要求 ········································································⋯⋯ 14
附录B(标准的附录) 电子部件的检验测试 ·······························································⋯⋯ 15
附录C(标准的附录夕 实流校准 ···················································....·.....·..·............⋯⋯ 16
附录D(提示的附录) 具备的文件 ··········································································⋯⋯ 22
附录E(提示的附录) 上、下游直管段长度要求·········,·········································。·······⋯⋯,23
附录F(提示的附录)基本原理 ··········································....·⋯⋯。.·..·..·..·..·..·..·..⋯⋯ 24
中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
用气体超声流量计测量天然气流量 GB/'r 18604-2001
Measurement of natural gas flow by ultrasonic flow meter
范 围
本标准适用于传播时间差法气体超声流量计,其通径等于或大于 100 mm,压力不低于。. 1 MPa
(表压)。一般用于气质符合本标准第5. 1条款规定的生产装置、输气管线、储藏设施、配气系统和用户计
量系统中的天然气流量测量。
本标准使用的天然气体积计算标准参比条件是:压力为0. 101 325 MPa(绝压),温度为20'C
(293.15 K)。也可采用
规定的其他参比条件。
2 引用标准
下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时,所示版本均
为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB 3836.1-1983爆炸性气体环境用电气设备 第1部分:通用要求
GB 3836. 2-1983 爆炸性气体环境用电气设备 第2部分:隔爆型"d"
GB 3836.4-1983 爆炸性气体环境用电气设备 第4部分:本质安全型‘1X;
GB/T 13610-1992 天然气的组成分析 气相色谱法
GB/T 17820- 1999 天然气
GB/T 17747-1999 天然气压缩因子计算
GB 50251-1994 输气管道工程设计规范
SY/T 0599-1997 天然气地面设施抗硫化物应力开裂金属材料要求
3 术语和符号
3.1 术语
本标准采用下列术语:
3.1.1气体超声流量计(简称流量计)ultrasonic gas flow meter
安装在流动气体的管道上,并用超声原理测量气体流量的流量计。只有一个声道的流量计称为单声
道气体超声流量计,有两个或两个以上声道的流量计称为多声道气体超声流量计。
3.1.2 传播时间差法 means of transit time difference
在流动气体中的相同行程内,用顺流和逆流传播的两个超声信号的传播时间差来确定沿声道的气
体平均流速所进行的气体流量测量方法。
3.1.3 超声换能器 ultrasonic transducer
把声能转换成电信号和反过来把电信号转换成声能的元件。
3.1.4信号处理
signal processing unit
是流量计的一部分,由电子元件和微处理器系统组成。
3.1.5流量计表体 meter body
中华人民共和国国家质f监督检验检疫总局2001一12-30批准 2002-08-01实施
I
Gs/'r 18604-2001
安装超声换能器和测压接头等部件,并经过特殊制造,在各方面都符合有关标准规定的被测气体通
过的管段 。
3.1.6声道 acoustic path
在发射和接受的两个超声换能器间的超声信号的实际路径。
3.1.7 声道长度L length of acoustic path L
两个超声换能器端面之间的直线长度(见图1),
3.1.8 声道距离X distance of acoustic path X
声道长度在管道轴线的平行线上的投影长度(见图1),
图1 气体超声流量测量的简化几何关系
3.1.9倾斜角} angle of inclination 0
声道与管道轴线间的夹角(见图1)
3.1-10 气体沿声道的平均流速V average flow velocity along acoustic path V
在声道和流动方向所决定的平面内的气体流速。
31.11气体轴向平均流速V average flow velocity along pipe axle V
流量与测量横截面面积之比。
3.1.12 速度分布校正系数k, correction factor of velocity distribution k
气体轴向平均流速与沿声道的平均流速之比。
3.1.13 速度采样间隔 velocity sampling interval
由整套超声换能器或声道进行相邻两次气体流速测量的时间间隔。
3门门4零流量读数 zero-flow reading
在气体静止状态下的最大允许流速读数。
3.1.15 分界流量q, transition gas flow rate q
低于该流量要采用扩展误差限的流量值(见第6章图2),
3.1.16 最大峰间误差 maximum peak-to-peak error
上限最大误差点和下限最大误差点之间的最大允许差值(见第6章图2),
3.1.17 实流校准系数(简称校准系数) flow calibration factor
将流量计进行实流校准测试,并将测试结果按一定修正方法得出的流量计系数。
3.2 符号
本标准所用符号见表1,
cB/T 18604-2001
表 I 符号
符 号 名 称 量 纲 单 位
D 气体流通面直径 L nn
k 速度分布校正系数 1
L 声道长度 L n1
尸百 工作条件下的绝对静压 ML-'T-' Pa
尸n 标准参比条件下的绝对压力 ML-'T-' Pa
4 被测流量 L3T-' m'/h
9, 工作条件下的瞬时流量 L'T-' m'/h
4}. 最大流量 L'T-' m'/h
9m 最小流量 1 'T-' m'/h
q以 标准参比条件下的瞬时流量 L'T-, m'/h
q. 分界 流量 L'T-' m'/h
Q。 标准参比条件下一段时间内的累积量 L' m3
T, 工作条件下的热力学温度 O K
T 标准参比条件下的热力学温度 { K
t 时间 T s
U, 安装引起的附加流量测量不确定度 1
Ua, 工作条件下的流量测量不确定度 {
U, 校准条件下的流量测量不确定度 1
U, 标准参比条件下的流量测量不确定度 1
Uv, 工作条件下的绝对静压测量不确定度 1
Us 校准数据的不确定度 1
Ur 工作条件下的热力学温度测量不确定度 1
U 校准用标准装置的流量测量不确定度 1
U, 绝对静压测量或热力学温度测量的不确定度 {
Uz 工作条件下的压缩因子测量不确定度 1
Uz 标准参比条件下的压缩因子测量不确定度 1
V 气体轴向平均流速 LT-' m/s
V 气体沿声道的平均流速 LT-' m/s
X 声道距离 L 们 1
Y 预定静压测量值或预定温度测量值 注 3
Yk 静压测量仪表或温度测量仪表的刻度上限值 注 3
Z万 工作条件下的压缩因子 1
Z. 标准参比条件下的压缩因子 1
甲 倾斜角 1 rad
右, 静压测量仪表或温度测量仪表的准确度等级 1
注
1 量纲中的符号L为长度,符号T为时间,符号M 为质量,符号e为热力学温度。
2 表中未列符号在文中出现处加以说明.
3 误差Y;, Y‘的量纲与被测物理量相关.
六 ‘r‘
GB/T 18604-2001
4 测f原理
4-1 基本原理
传播时间差法气体超声流量计是通过测量高频声脉冲传播时间得出气体流量的速度式流量计。让
声脉冲在管道内向逆流和顺流沿斜线方向传播(见图1),分别测量它们的传播时间,其传播时间差与气
体的轴向平均流速有关,从而使用数值计算技术计算出在工作条件下通过气体超声流量计的气体轴向
平均流速和流量。
更详细的内容见本标准附录c(提示的附录)。
4.2 对测量准确度的影响因素
流量计的测量准确度受下列等因素影响
a)流量计表体几何尺寸和超声换能器位置参数的准确度;
b)流量计设计中所采用的积分技术;
。)速度分布剖面性质、气流脉动程度和气体均匀度;
d)传播时间测量准确度。
传播时间测量准确度取决于电子时钟的稳定性和对声脉冲波参考位置检测的一致性以及对电子元
件和超声换能器信号滞后的合适补偿。
工作条件
5门 天然气气质
流量计所测量的天然气组分一般应在GB 17820和GB/T 17747所规定的范围内,天然气的真实相
对密度为。.55-0.80.
如果出现下列任一情况,应向制造厂提出相应的专门要求:
a) CO,含量超过10N;
b)在接近天然气混合物临界密度的条件下工作;
c)总含硫量超过460 mg/m',包括硫醇,H,S和元素硫。
正常输气工况下,在流量计表体内的附着物(如凝析液或带有加工杂质的油品残留物、灰和砂等)会
减少流量计的流通面积而影响计量准确度,同时附着物还会阻碍或衰减超声换能器发射和接收超声信
号或者影响超声信号在流量计表体内壁的反射,因此对流量计应定期检查清洗。
5.2 压力
流量计的工作压力应符合本标准第1章的规定。同时超声换能器对气体的最小密度(它是压力的函
数)有一定要求,最低工作压力应保证声脉冲在天然气中能正常传播。
5,3 温度
流量计的工作温度范围(包括介质温度和环境温度)为(一25^ 55)`C,
如果超出上述温度范围,应向制造厂提出专门的要求。
5.4 流量范围及流动方向
流量计的流量测量范围由气体实际流速确定,被测天然气的流速范围一般为((0. 3-30)m/s。用户
须核实被测天然气的实际流速不超过制造厂所规定的流量范围,其相应的测量准确度应符合本标准第
6章的规定。
流量计具有双向测量的能力,且双向测量的准确度相同。用户应当指出是否需要双向测量,以便制
造厂适当组态信号处理单元参数。
5,5 速度分布
进人流量计的天然气流态应是对称的充分发展的紊流速度分布。计量管路中的各种阻流件和管道
配置会对天然气速度分布产生影响,从而影响测量准确度。具体的安装要求按本标准第8章的规定。
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6 5111性能要求
本章规定了流量计必须满足的一组最低测量性能要求口在作实流校准系数调整之前,流量计就应满
足这些性能要求,以保证不因使用较大的校准系数调整而掩盖了流量计自身的问题和缺陷。
用户应根据本标准第7章和附录C(标准的附录)的规定,要求对流量计进行检验和实流校准,并应
遵守本标准第s章的安装要求,以确保其测量性能符合本章的规定。
对每一结构尺寸的流量计,制造厂应规定流量界限值,即最小流量q.,.、分界流量q。和最大流量
q_。不论是否经过实流校准,在所规定的流量范围内,流量计都应满足本章的测量性能要求。
6.1 多声道气体超声流量计测量性能要求
6.1.1 通则
在进行任何校准系数调整之前,所有多声道气体超声流量计的一般测量性能应满足下列要求:
重复性:0. 2%,q,
通知
用户硬件
的修改是否影响经实流校准的流量计的准确度。
了.5.2 组态和维护软件
流量计应当具有对信号处理单元进行就地和遥控组态及监控流量计运行的能力。该软件至少应当
显示和记录下列数据:瞬时流量、轴向平均流速、平均声速、沿每一声道的声速和每一超声换能器所接受
的声波信号的质量。制造厂可用流量计的部分嵌人软件来提供这些软件功能。
7.5.3 检查和检验功能
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检查或检验人员可察看和打印信号处理单元的流量测量组态参数,比如,校准系数、流量计尺寸、时
间平均周期和采样速率。
应当采取措施,确保影响流量计性能的参数不能意外或未察觉地被改变。其措施包括铅封的开关或
跳线、固化的可编程只读存储器芯片或在信号处理单元中设置密码。检验人员应当能够验证任一特定流
量计所采用的全部算法、常数和组态参数,确保流量计达到或优于原来流量计实流测试时的性能,或者
达到或优于该特定流量计经最近一次实流校准且改变其校准系数时的性能。
7.5.4 报警
应以失效安全型、干继电器接点或与地隔离的无电压固体开关的形式提供下述报警状态输出:
a)输出失效:当在管输条件下指示的流量无效时;
b>故障状态:当若干个监视参数中的任一个在相当的一段时间内超出了正常工作范围;
c)部分失效:当多路声道的一个或多个无法使用时。
了.55 诊断测量
制造厂应当通过RS-232, RS-485或同等的串行口提供下列和其它诊断测量:
a)通过流量计的平均轴向流速;
b)每一声道的流速(或相当于
流速分布);
c)沿每一声道的声速;
d)平均声速;
e)平均时间间隔;
f)每一声道接收到的脉冲的百分比;
9)状态和测量效果指示;
h)报警和故障指示。
8 安装要 求及维护
8门 安装 环境
8.1门 温度
安装流量计的外界环境温度应符合本标准第5.3条款的规定,同时应根据安装点具体的环境及工
作条件,对流量计采取必要的隔热、防冻及其它保护措施(如遮雨、防晒等)。
8.1.2 振动
境量计的安装应尽可能避开振动环境,特别要避开可引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共
振的环境。
8.1.3 电气噪声
在安装流量计及其相关的连接导线时,应避开可能存在较强电磁或电子干扰的环境,否则应咨询制
造厂并采取必要的防护措施。
8.2 管道配置
8.2.1 流动方向
如果所使用的流量计具有双向流测量功能,并且也准备将其运用于这种测量场合,那么在设计安装
时,流量计的两端都应视为上游,即下游的管道配置形式和相关技术要求应与上游一致并符合第 8.22
~82.9条款的规定。
8.2.2 管道安装
紧邻流量计的上、下游须安装一定长度的直管段(见本标准附录E的图E1中的1?1} ),在该直管段
上除取压孔、温度计插孔和密度计(或在线分析仪)插孔外应无其它障碍及连接支管。上、下游直管段的
最短长度可按本标准附录E(提示的附录)的要求配置。
8.2.3 突人物
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流量计的内径、连接法兰及其紧邻的上、下游直管段应具有相同的内径,其偏差应在管径的士1%以
内;流量计及其紧邻的直管段在组装时应严格对中,并保证其内部流通通道的光滑、平直,不得在连接部
分出现台阶及突人的垫片等扰动气流的障碍。
8.2.4 内表面
与流量计匹配的直管段,其内壁应无锈蚀及其它机械损伤。在组装之前,应除去流量计及其连接管
内的防锈油或沙石灰尘等附属物。使用中也应随时保持介质流通通道的干净、光滑
8.2.5 温度计插孔
温度计插孔轴线宜垂直或逆气流45。相交于管道轴线,温度计插人深度应尽可能让感温元件位于
管道中心,并控制在(75^-150)mm以内。如果所安装的流量计仅是对单向流进行测量,应将温度计插孔
设在流量计下游距法兰端面((2-5)D之间;如果所安装的流量计是准备用于双向流测量,温度计插孔应
设在距流量计法兰端面至少3D的位置处。
8.2. 6 声学噪声干扰
来自于被测介质内部的噪声可能会对流量计的准确测量带来不利影响,在设计及安装过程中应让
流量计尽可能远离噪声源或采取措施消除噪声干扰。
8.2.了 流动调整器
是否安装流动调整器以及安装哪种形式的流动调整器将主要取决于两个方面的因素:即所选择的
流量计种类(单声道或多声道)及上游速度分布剖面受干扰的严重程度。在设计和安装过程中应向制造
厂咨询
82.8 流量计安装
流量计应水平安装,其它安装方式须咨询制造厂。在设计和安装时,应留有足够的检修空间。
8.2.9 气体过滤
在气质较脏的场合,可在流量计的上游安装效果良好的气体过滤器,过滤器的结构和尺寸应能保证
在最大流量下产生尽可能小的压力损失和流态改变。在使用过程中,应监测过滤器的差压,定期进行污
物排放和清洗,确保过滤器在良好的状态下工作。
8.3 维护
8.3一飞 一般操作维护
制造厂应负责对现场工作人员进行基本操作及维护技能的培训。日常管理主要是根据其自诊断系
统反馈的信息有针对性地进行检查和维护。
8. 3.2 定期检查监测
应根据制造厂的建议周期对流量计进行定期检查,比如信号处理单元及计时系统是否工作正常、声
道有无故障、零流量测量是否准确、超声换能器表面是否有沉积物等。还应根据实际情况,检查邻近管道
内是否有沉积物
现场验证测试要求
当需要对气体超声流量计进行现场验证测试时,应按下列要求进行:
9.1 测试内容及步骤
9门.1 外观检查
在外观检查中,应仔细检查流量计内腔和超声换能器端头是否有污物沉积、磨姆或其它可能影响流
量计性能的损伤。
912 零流量测试
在无流动介质的情况下,检查流量计的读数是否为零或在流量计本身规定的允许范围内。
9门.3 声速测试及分析
在进行现场验证测试时,若有必要,可进行声速测试和分析。首先测出某一工况条件下的实际声速,
GB/'r 18604-2001
再计算出相同条件下的理论声速,二者之间的差值应当在流量计本身规定的允许范围内。
9.1.4 声道长度测试及分析
首先测量出实际声道长度;然后在零流量的条件下,由理论声速和测量出的传播时间计算出声道长
度,二者之间的差值应当在流量计本身规定的允许范围内。
9.1.5 声道间读数差异检查
对于多声道气体超声流量计,应检查不同声道在零流量条件下的读数,其读数差异应当在流量计本
身规定的允许范围内。
9.2 测试报告
根据第9.1条款的测试、检查及分析结果,应作出包括流量计名称、型号规格、制造厂、投运日期、工
况条件(气质、流量、压力、温度及安装方式等)、测试机构(人员)、测试内容及方法、测试结果、异常情况
原因分析及建议措施等在内的测试报告。
10 流最计算方法及测盆不确定度估算
10.1 标准参比条件下的流量计算
流量计是用超声传播原理和数字积分技术设计制造的,按附录F中式((F18)测出的值是工作条件
下的天然气流量。在标准参比条件下的流量应根据在线实测的气流静压和温度,按气体状态方程进行计
算。
10.1.1 标准参比条件下的瞬时流量计算
标准参比条件下的瞬时流量按式(1)计算:
4。二4[ (P, /P.) (T. /T,) (Z. /Z,) ·····················⋯⋯ (1)
式中:9.— 标准参比条件下的瞬时流量,m,/h;
4f— 工作条件下的瞬时流量,m'/h;
P}— 标准参比条件下的绝对压力,其值为。.101 325 MPa;
P,— 工作条件下的绝对静压力,MPa;
T}— 标准参比条件下的热力学温度,其值为293.15 K;
T,— 工作条件下的热力学温度,K;
Z— 标准参比条件下的压缩因子,按GB/T 17747计算得出;
Z,— 工作条件下的压缩因子,按GB/T 17747计算得出。
10.1.2 标准参比条件下的累积流量计算
标准参比条件下的累积流量按式((2)计算:
Q?一如dt ··········⋯⋯.(2)
式中:Q。— 标准参比条件下在t。至t一段时间内的累积量,m',
工一对:。至,时间段的积分;
dt— 时间的积分增量。
10.2 标准参比条件下的流量测量值的确定
制造厂已将流量计和相关流量计算机做成一个流量计量系统,其输出功能齐全、灵活,用户可根据
自己的需要选择。
10.2门 输出为合同参比条件下的流量
当输出为合同参比条件下的流量时,视合同参比条件是否与标准参比条件相同,如果相同,则输出
指示值为标准参比条件下的流量值;如果不同,应按式((1)、式((2)计算标准参比条件下的流量,计算结果
值为标准条件下的流量测量值。
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10-2.2 输 出为工作条件下 的流量
当输出为工作条件下的流量时,应按式(1)、式((2)计算标准参比条件下的流量,计算结果值为标准
参比条件下的流量测量值。
10.3 工作条件下的流量计算
在流量计选型时,应将标准参比条件下的流量q。按式(1)计算到工作条件下的流量q;,合理地选择
流量计规格。
10.4 流量测量不确定度估算
10.4.1 不经实流校准的标准参比条件下的流量测量不确定度估算
流量计不经实流校准就应达到本标准第6章的测量性能要求。根据式(1)可用式((3)估算标准参比
条件下的流量测量不确定度U,。
认一丫峨、+啡,+U,7f+Uzf+Ui+叫n ··················⋯⋯(3)
式中:Uu— 标准参比条件下的流量测量不确定度;
叭‘— 工作条件下的流量测量不确定度。对大口径多声道气体超声流量计,当q(q(gm.:时可
取。.70%,当gmi.(q