淺談超聲流量計在天然氣計量中的應用

    0 引言

    隨著(zhù)國內天然氣市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，超聲波流量計因具有準確度高、測量范圍寬、重復性好、無(wú)可動(dòng)部件、本體無(wú)壓損，適合于大口徑、大流量計量等特點(diǎn)，已經(jīng)成為國內大口徑天然氣長(cháng)輸管道計量的首選流量計。自2001年GB/T18604—2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》正式發(fā)布實(shí)施后，超聲流量計作為天然氣貿易計量交接儀表開(kāi)始在國內廣泛使用。

    1 工作原理

    超聲波流量計按工作原理，具有多種不同的形式，適用于天然氣高精度流量測量的超聲流量計使用的是時(shí)間差法。圖1為直射式超聲流量計的工作原理示意圖。在管壁兩邊安裝一對斜角為j的超聲換能器，兩個(gè)換能器同時(shí)或定時(shí)向對方發(fā)射和接收對方的超聲信號。

圖1工作原理圖

    氣體超聲波流量計的換能器A和換能器B裝在管道兩側，換能器之間距離為L(cháng)，C是超聲波在流體中的聲速，V是流體速度，超聲波傳播的方向與流體在管道中的流動(dòng)方向夾角為θ，超聲波在流體中的順流傳播時(shí)間為ｔD，逆流傳播時(shí)間為ｔU。

    聯(lián)立解方程（1）式和方程（2）式可得：

    從式（3）求出被測氣體的流速后，再乘以超聲波流量計的截面積，就得到了流體在管道中的工況流量；利用壓縮因子及溫度、壓力信號對工況流量進(jìn)行修正，從而得到標準狀況下的體積流量，進(jìn)行貿易計量交接。

    2 應用中應注意的問(wèn)題

    超聲波流量計雖然在高壓、大流量的天然氣長(cháng)輸管道計量中，有著(zhù)其它流量計不可比擬的優(yōu)勢，但因超聲波流量計的使用受現場(chǎng)環(huán)境因素的影響，所以，除了要滿(mǎn)足GB/T18604—2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》和生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)要求（如溫度、振動(dòng)、電氣噪聲等要求）之外，還應該注意以下事項：

    2.1 噪聲影響

    噪聲主要來(lái)自管路中的各種管件（彎頭、三通、整流器）和閥門(mén)等。由于超聲波流量計是基于超聲波脈沖測量換能器之間順、逆行的時(shí)間差來(lái)計量的，如果噪聲的頻率與超聲波流量計的工作頻率相近，就會(huì )干擾超聲頻率的接收，影響傳輸時(shí)間的準確測量，進(jìn)而影響流量的測量。據有關(guān)資料，噪聲對某些超聲波流量計的準確度和重復性影響很大，最大超過(guò)了2%。

    為盡量降低噪聲對超聲波流量計準確度的影響，在設計計量管路時(shí)，應盡可能接近無(wú)彎頭、無(wú)阻流件的安裝條件，將調節閥安裝在流量計下游，盡可能使流體的流場(chǎng)穩定；同時(shí)，應選擇流量計信號處理能力強的廠(chǎng)家，提高噪聲的過(guò)濾能力，改善超聲波脈沖的接收能力，降低噪聲的影響。

    2.2 管道配置

    2.2.1 直管段長(cháng)度要求

    天然氣流量測量過(guò)程中，流量計上下游存在的阻力件（如閥門(mén)、匯管等）將破壞被測介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)（產(chǎn)生旋渦或造成速度分布畸變等），相應地就會(huì )增大流量測量的誤差，其大小將取決于速度分布畸變的嚴重程度、變化形式以及流量計本身對這種畸變的補償能力。為了降低不良流態(tài)對測量結果的影響，在流量計上下游安裝一定長(cháng)度的直管段就是一種常見(jiàn)的手段。從準確計量的角度來(lái)看，上下游直管段長(cháng)度越長(cháng)，改善流量計測量性能的效果就越明顯。GB/T18604—2001標準提出最低限度的直管段長(cháng)度要求，即在不需安裝整流器的情況下，多聲道超聲流量計上游的最短直管段長(cháng)度應為10D，下游最短直管段長(cháng)度應為5D，但對于上游阻流件較復雜的計量管路來(lái)說(shuō)，10D的上游直管段遠遠不夠，按AGANO9報告的推薦，應該達到20D。如果使用整流器，則整流器的安裝位置及相應的配管長(cháng)度應咨詢(xún)生產(chǎn)廠(chǎng)商，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗給出。

    2.2.2 直管段的質(zhì)量要求

    超聲流量計上下游所要求的最短直管段長(cháng)度范圍內（測量管）出現的任何臺階及其它凸入物都將引起被測介質(zhì)流態(tài)的改變，從而增大流量測量的誤差（研究資料表明，超聲流量計上下游附近如果存在0.01D的臺階，由此引起的測量偏差將達到或超過(guò)0.05%）。因此，要在配管選型及施工組裝中對臺階及凸入物進(jìn)行限制。

    2.3 臟污堆積

    含水、油污或硫化鐵粉等臟污的天然氣流過(guò)超聲波流量計后，臟污會(huì )逐漸堆積在流量計測量管內壁和超聲波探頭上，一方面會(huì )減小測量管道的實(shí)際內徑，使流量計讀數偏大；另一方面又會(huì )增大測量管內壁的平均粗糙度，會(huì )導致聲波（脈沖信號）在表體內壁反射時(shí)出現發(fā)散和衰減現象，影響流量計的準確度和重復性。另外，臟污在超聲波探頭上堆積，會(huì )縮短超聲波傳輸時(shí)間，導致流量計讀數偏大，所有這些因素都有可能對測量結果造成嚴重的影響（ISO/WD17089認為，由此造成的測量偏差有可能超過(guò)1%），因此，應加強天然氣氣質(zhì)的監測，確定合理的清洗周期，同時(shí)，利用流量計的監測軟件，通過(guò)監測各聲道的接收率、增益等參數，測算流量計內壁臟污堆積程度，確定是否需要清洗。

    3 檢定

    定期檢測是提前預防和及時(shí)消除儀表故障的有效手段。在國內，現具備天然氣超聲波流量計檢定資質(zhì)的單位有：國家石油天然氣大流量計量站，國家站成都天然氣分站，國家站重慶天然氣分站及國家站南京天然氣分站。實(shí)流檢定技術(shù)能力覆蓋天然氣行業(yè)的大部分商品貿易交接流量計0.3~10.0MPa，技術(shù)上達到國際先進(jìn)水平。

    天然氣超聲波流量計檢定可分為離線(xiàn)實(shí)流檢定和在線(xiàn)實(shí)流檢定兩種。目前，雖然國內已利用移動(dòng)式天然氣標準，在計量站現場(chǎng)進(jìn)行天然氣流量?jì)x表的在線(xiàn)實(shí)流檢定，但始終存在現場(chǎng)不具備安裝條件、道路運輸困難、移動(dòng)標準受運輸和使用環(huán)境影響等不少問(wèn)題，各長(cháng)輸管線(xiàn)貿易計量交接儀表只有少部分采用在線(xiàn)實(shí)流檢定，大部分采用離線(xiàn)實(shí)流檢定。JJG1020-2007《超聲波流量計檢定規程》中規定，如果流量計具有自診斷功能，且能保留報警記錄，每年對超聲波流量計在現場(chǎng)進(jìn)行檢驗，實(shí)流檢定周期可延長(cháng)到6年。目前，各技術(shù)機構正積極研究具體操作規范和技術(shù)指標，實(shí)現在線(xiàn)檢驗后，將大大減少各管道的流量計送檢成本。

    4 結論

    通過(guò)西氣東輸、陜京線(xiàn)等多條天然氣長(cháng)輸管道的實(shí)踐證明，氣體超聲流量計完全適用于天然氣貿易計量，可有效提高天然氣計量技術(shù)水平。由于氣體超聲流量計具有結實(shí)耐用、量程比寬、無(wú)壓損、準確度高、維護工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在使用中注意安裝條件、噪聲、臟物等，必將在天然氣流量測量領(lǐng)域得到廣泛使用。