1 應用背景

    2003年山東天然氣管網采用的超聲波流量計進行分段計量，由于超聲波流量計準確度高、流量范圍寬、無壓力損失等優點，在輸氣干線上安裝使用超聲波流量計不僅可以監控分段輸差，而且可以使用流量平衡原理來檢測管道泄漏，對管道事故有一定的預警功能。當時采用2500流量計算機與MarkⅡ超聲波流量計配套，系統運行兩年后陸續有多臺2500流量計算機出現故障，該產品廠家已無備件提供，需要更換為S600流量計算機。廠家提出更換的流量計算機價格昂貴，而我單位使用2500型流量計算機多臺，如果都因配件原因更換流量計算機將給企業帶來很大的經濟負擔，因此，選用FC2000-1AD來替代。

    2 流量計算原理

    通過查找流量計算機資料，對照GB/T18604《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》，發現2500流量計算機計算公式為：

    式中：q_n為標準參比條件下的瞬時流量，m³/s；q_f為工作條件下的瞬時流量，m³/s；p_n為標準參比條件下的壓力，MPa；p_f為工作條件下的壓力，MPa；T_n為標準參比條件下的熱力學溫度，K；T_f為工作條件下的熱力學溫度，K；Z_n為標準參比條件下的壓縮因子；Z_f為工作條件下的壓縮因子。

    q_f由超聲波流量計基于時差法測量得出，通過RS485通信傳輸給流量計算機，流量計算機通過壓力變送器和溫度變送器采集管道流體的壓力和溫度，通過流量計算機固化的壓縮因子計算軟件得出工作條件下的壓縮因子，最后按上式計算瞬時流量和累積流量。

    通過CUI軟件查找MarkⅡ中的參數，找到超聲波流量計提供工作條件的瞬時流量頻率輸出接口，因此流量計算公式變為：

    式中：N為工作條件下流量脈沖數；K為流量計儀表系數，m³/N。

    從式（1）和式（2）可以看出共有q_f、p_n、p_f、T_n、T_f、Z_n、Z_f7個參數參與標準參比條件下的瞬時流量的計算，其中q_f來自MarkⅡ超聲波流量計，p_a和T_a是標準參比條件是已知量（p_a=0.101325MPa，T_a=293.15K），p_f和T_f通過流量儀表實時采集溫度變送器和壓力變送器的輸出可以獲得，只有Z_n（天然氣的標況壓縮因子）和Z_f（工況壓縮因子）無法直接獲得，需要流量補償儀表根據天然氣的組份和實際的工況依據相關的國家標準實時計算獲得，而且只有實時計算才能保證計算的準確度，采用輸入固定值的方式會帶來比較大的誤差。天然氣流量的測量不同于普通氣體，由于其是含烴類物質的混合氣體，在工況體積與標況體積換算時必須考慮壓縮因子。SY/T6143―2004《用標準孔板流量計計量天然氣流量》標準中目前天然氣壓縮因子的計算的國家標準是GB/T17747―1999。該標準規定了天然氣的壓縮因子有兩種計算方法：GB/T17747.2―1999《天然氣壓縮因子計算第2部分：用摩爾組成進行計算》及GB/T17747.3―1999《天然氣壓縮因子計算第3部分：用物性值進行計算》

    天然氣壓縮因子的計算方法如下：

    式中：p為絕壓，MPa；T為熱力學溫度，T=273.15+t，K；ρ_m為摩爾密度；ρ_r為對比密度，ρ_r=K³ρ_m；R為摩爾氣體常數，R=0.008314510；K為混合物體積參數。

    從式（3）至式（8）可以看出，對于壓縮因子Zf的計算包含了大量的異常復雜的浮點數運算，因此只有支持符合國家標準要求的天然氣壓縮因子計算、支持脈沖信號和模擬信號采集、支持RS485通訊的流量二次儀表才能滿足天然氣流量計量的要求。

    3 FC2000-1AD流量計算機安裝與試驗

    通過對國內大量的流量儀表的比較，發現國內眾多的流量二次儀表還只是停留在簡單的溫壓補償，而沒有針對烴類物質的壓縮因子的計算，無法滿足天然氣流量計量的要求，因此選用了北京博思達新世紀測控技術有限公司生產的FC2000-1AD流量計算機。

    FC2000-1AD流量計算機是一款具有高精度補償運算、數據顯示、存儲以及運用網絡實現通訊功能的新一代計量儀表，可同時完成多種補償運算（溫度、壓力、濕度、密度、組分等）。對流速可膨脹系數ε、壓縮因子Z等參數作為動態量進行實時逐點運算。遵循標準有：GB/T2624―93，GB/T18215.1―2000，GB/T18604，SY/T6143―2004，ISO5167―1，ISO3966，ISO7145―1982，AGA8號報告，NX19等。可以支持：4～20mA、脈沖、RS485等多種信號輸入，故可與超聲波流量計配套使用。

    （1）首先將超聲波流量計RS485通信輸出方式改為頻率信號輸出方式，頻率輸出方式是在PFC電路板上通過跳線進行設置。超聲波流量計的頻率輸出使用的是0～1000Hz或0～5000Hz的頻率信號。頻率輸出精確度為±0.01%。而FC2000-1AD流量計算機允許輸入的脈沖信號的頻率范圍為0～10000Hz，可以滿足超聲波流量計的要求。

    （2）FC2000-1AD流量計算機與超聲波流量計的配套使用：在山東天然氣管網干線已經使用3臺FC2000-1AD流量計算替換了出現故障的2500流量計算機。投運至今已有一年，通過一年以來與山東天然氣管網干線其它使用S600的流量計算機的計量對比，FC2000-1AD流量計算機的計量準確度能夠滿足現場工作需要，并且可以長期可靠運行。根據我們實踐證明：可以使用FC2000-1AD流量計算機代替S600與超聲波流量計配套使用。

    4 結論

    使用國產流量計算機與氣體超聲流量計配套，不但能夠滿足天然氣計量的需要，而且能夠長期可靠的運行，為以后對出現故障的2500、S500等類型的進口流量計算機的更換摸索了一條新路。