近年来，气体超声流量计因其性能稳定、结构简单、准确度高等特点得到广泛使用[1-2]，其技术水平经过近一个世纪的发展逐渐成熟，相关国际和国家标准中对超声流量计管道配置的要求也逐步发生变化。由于流量计安装现场可能存在弯头、三通、汇管等阻流件[3]，标准推荐的直管段长度在复杂工艺条件下的适用性则有待进一步研究。介绍了国内外不同时期超声流量计标准中管道配置要求的变化情况，通过不同管道配置下DN100超声流量计与标准装置的测试实验研究，得到管道配置对计量性能的影响程度。
在超声流量计使用初期，GB/T 18604-2001《用气体超声流量计测量天然气流量》规定的上游直管段长度最短为10D，下游为5D[4]。经过一段时间的使用发现，超声流量计对流态要求较高，而计量现场的复杂工艺管路构成会导致流态的变化[5]。因此，为了使流场在进入流量计前能够充分发展，国际标准提高了配置直管段的要求，ISO 17089.1-2010《封闭管道中液体流量的测量. 气体超声流量计. 第1部分: 运输监护和配置计量用仪表》规定：在相关厂家未提出直管段配置尺寸时并安装了流动调整器的情况下，上游直管段长度最短为30D[6]。GB/T 18604也跟踪了国际标准的变化，并及时进行了修订[7]，修订后的GB/T 18604-2014对上游最短直管段长度的要求也提高到了30D[8]。近年来，技术的进步提高了超声流量计对流场变化的适应性，AGA Report NO.9-2017《用多声道超声流量计测量天然气流量》在2017年修订时认为，在安装了流动调整器的情况下，上游最短直管段长度只需满足20D[9]。以上国内外标准有关管道配置要求比较结果见表 1。
通过对超声流量计测量天然气流量的国际标准及国家标准的对比分析可以得到：国家标准与国际标准的主要技术内容是基本一致的，均明确了应首先由相关制造商提出上、下游直管段配置，但在相关制造商未提出直管段配置建议时，不同标准推荐的上游最短直管段长度有一定差异：安装流动调整器后，GB/T 18604-2014建议上游直管段最短为30D，AGA Report NO.9-2017建议上游直管段最短为20D。3个标准均提到了速度曲线畸变对流量计可能造成的影响，并且部分流量计由于设计上考虑了这种因素，则不需要进行流场调节，但对于上游阻流件、阀门和直管长度的不同组合对计量准确度的影响程度并没有进行说明，对于流动调整器的流态调整效果也没有具体描述。
GB/T 18604-2014提高了对上游直管段长度的要求，由于工程建设时间及设计初始要求各不相同等原因，国内使用超声流量计的部分贸易交接现场没有达到上述一般性要求。为消除计量不准带来的隐患，确保交接计量的准确可靠，开展了不同管道配置对超声流量计的计量性能影响实验研究工作。
实验装置：国家石油天然气大流量计量站成都分站涡轮标准表法气体流量标准装置(小流量区)，装置采用的测试介质为天然气，设计压力为6.3 MPa，运行压力为1.5~4.0 MPa，流量测试范围为16~2 600 m3/h，体积流量测量不确定度为0.33%(k=2)。
实验对象：市场占有率较高、技术相对成熟的4个不同国内外厂家的超声流量计(以下分别命名为A、B、C、D)，规格尺寸为DN100。
实验分为理想流态测试和复杂流态测试。理想流态测试是指安装工艺条件较理想，在超声流量计上游50D以内无弯头、无过渡部件、无阻力件，流速分布均匀，上游直管段长度大于50D，同时在10D处加装流动调整器进行测试，如图 1所示。
复杂流态测试是指在超声流量计上游存在阻流件，如空间弯头、汇管等，结合标准推荐的管道配置改变上游直管段长度，同时在10D处加装流动调整器进行测试，如图 2所示。根据被测流量计的测量范围，确定超声流量计的实验布点为Qmin、0.10 Qmax、0.25 Qmax、0.4 Qmax、0.7 Qmax、Qmax共6个流量点，压力(均为绝压)2.9 MPa。理想流态时首先进行预测试，得到流量计的多点修正系数并进行修正和验证，确保流量计在复杂流态测试前有相对良好的性能。另外，对加装流动调整器和改变直管段内径后流量计的计量性能进行了测试。
将不同管道配置下测得的流量数据进行比较，分析最大示值误差的变化情况，获得不同管道配置对流量计性能的影响。
流动调整器对计量性能的影响如图 3所示。由图 3可知，对于A超声流量计而言，多点修正前线性不佳，修正后表现出良好的计量性能，相对示值误差在±0.1%附近。当上游直管段缩短为30D，同时在10D处加装流动调整器后的计量性能与理想状态一致，示值误差变化最大约0.1%，在标准装置不确定度范围内。
直管段内径对计量性能的影响如图 4所示。由图 4可知，对于D超声流量计，当上游直管段内径由97 mm变为100 mm时，内径变化了3 mm，超出GB/T 18604-2014第8.2.3条规定的上、下游直管段内径偏差应小于1%且不超过3 mm的要求，示值误差出现0.5%的明显正偏移。加装流动调整器后，偏移量降低了0.2%。
汇管对计量性能的影响如图 5~图 7所示。在汇管的干扰下，对A、B、C 3种超声流量计而言，上游直管段大于或等于20D，并在10D处安装流动调整器时均对流量计的计量性能无明显影响。继续缩短直管段长度时：对于A超声流量计，计量结果没有明显变化，示值误差最大偏移量不超过0.2%；对于B超声流量计，上游直管段缩短为16D时，在大流量下偏移量约0.39%；对于C超声流量计，上游直管段缩短至14D时在小流量下对流量计有明显影响，示值误差的最大偏移量达到1.5%，远远大于标准装置的不确定度。
空间弯头对计量性能的影响如图 8~图 10所示。在空间弯头的干扰下，对A、B、C 3种超声流量计而言，上游直管段大于或等于20D，并在10D处安装流动调整器时均对流量计的计量性能无明显影响，相对示值误差的变化在标准装置不确定度范围内。继续缩短直管段长度时：对于A超声流量计，上游直管段10D+流动调整器的安装方式会导致相对示值误差整体向正偏移0.3%；对于B超声流量计，上游直管段10D+流动调整器的安装方式下，流量大于0.25 Qmax时整体向负偏移0.1%，最小点流量向负偏移0.42%；对于C超声流量计，计量结果没有明显变化，最小点由于超声流量计的计量特性而表现出小幅波动。
总的来说，直管段内径与流量计不匹配会使流场发生变化，进而导致计量不准，流动调整器可以在一定程度上削弱非理想流场对流量计造成的影响。上游阻流件为空间弯头或汇管时，直管段长度大于或等于20D且安装流动调整器的管道配置可以保证超声流量计的计量性能，低于该配置则可能影响流量计的计量准确度。从表 2可以直观地看到，不同流量计在不同阻流件下直管段长度对计量准确度的影响程度。
通过对国内外相关标准的比较和实验研究发现，为了应对现场多阻流件的工艺流程，减少场站的占地面积，配置流动调整器几乎是必不可少的。在配置流动调整器后，DN100的超声流量计按照上游直管段长度20D与按照30D配置时的计量性能没有明显差异，继续缩短直管段长度对于不同厂家的超声流量计有不同程度的影响。
近年来，流量计技术的进步提高了对多种流态的适应性，为减少场站的占地面积，厂家提出的推荐直管段长度也在逐渐缩短。在采纳厂家建议的前提下，使用小口径超声流量计的中低压贸易交接场站可以参考本研究进一步判断流量计运行时的计量性能，消除可能计量不准对生产经营带来的不利影响。另外，由于实验对象的声道布置和反射方式各有不同，多声道超声流量计在非理想流态下有相对更好的表现，强化了对旋涡流等流态的适应性，在直管段长度更短时依然能正常运行，有利于减少场站的占地面积，降低建设成本。
不同型号和声道配置的流量计对管道配置的要求有明显的差异，建议流量计厂家应结合流量计性能和现场情况提出适用的安装配置并提供支撑的测试数据。同时，由于内径不匹配或安装不当会直接影响计量准确度，流量计使用单位应严格按照标准规定的其他要求加工和安装配套直管段。
2021, Vol. 50 Issue (4): 114-119
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