超聲流量計自診斷技術(shù)在天然氣計量的應用

    近年來(lái)，超聲流量計在管輸天然氣計量領(lǐng)域得到廣泛的應用，國內西氣東輸等長(cháng)輸管道及其分輸線(xiàn)、聯(lián)絡(luò )線(xiàn)幾乎都選用超聲流量計，僅2012年，經(jīng)國內三大天然氣流量檢定機構（國家石油天然氣大流量計量站、成都分站、南京分站）檢定和校準的超聲流量計數量就高達上千臺次。因為超聲流量計大量用于大流量天然氣貿易計量，對其現場(chǎng)使用中的穩定性和可靠性均提出了很高的要求。自20世紀80年代超聲流量計首次運用于天然氣計量領(lǐng)域以來(lái)，歷經(jīng)多代升級，特別是電子功能的大幅改善和擴展，使得超聲流量計擁有了自診斷、自維護、使用中檢驗、遠程診斷等許多新功能，這些功能在天然氣計量中的運用使其工作的穩定性、可靠性得到了質(zhì)的提升，為天然氣貿易計量提供了準確、可靠的保障。

    1 幾種超聲流量計簡(jiǎn)介

    目前用于天然氣交接計量的超聲流量計主要有以下6種，其產(chǎn)品的性能見(jiàn)表1。

表1 幾種超聲流量計性能比較表

    由表1可看出，幾種超聲流量計的壓力、流量范圍已覆蓋管輸高壓、大流量天然氣計量領(lǐng)域的范圍，還可通過(guò)并聯(lián)流量計的方式來(lái)實(shí)現更大流量的計量。以上幾種超聲流量計的準確度都在1.0級以?xún)�，校準后有的可達0.5級甚至更高，可當作核查流量計或比對標準流量計使用。

    2 超聲流量計的故障診斷

    超聲流量計由于其固有的特性，擁有多種方式判斷其運行的狀態(tài)，如：波形圖、增益值、信號質(zhì)量、信噪比、剖面系數等，現將其主要的含義和判斷指標介紹如下。

    2.1 波形圖

    波形圖是判斷超聲信號質(zhì)量好壞的最直觀(guān)的方式，特別針對判斷信號是否存在干擾的情況。正常情況下，超聲波波形是平滑的波動(dòng)線(xiàn)，若存在干擾，波動(dòng)線(xiàn)連續性變差，其波形相對正常的波形會(huì )發(fā)生較大變化，這種變化用肉眼也很容易辨別，正常聲波和受干擾的聲波圖對比見(jiàn)圖1。

圖1 正常聲波和有干擾的聲波圖

    2.2 增益值

    增益值（Gain/AGC）是指換能器為了獲得有效的、能夠接受的信號而增加信號強度的一個(gè)示值，其示值的計算方法各廠(chǎng)家都不相同，一般是自動(dòng)獲得。

    增益值受天然氣壓力、流速、換能器贓污等情況而決定，工況條件較好時(shí)其值較低，工況條件較差時(shí)其值較高。

    2.3 信號質(zhì)量

    不同超聲流量計廠(chǎng)家對“信號質(zhì)量”的含義和命名并不相同；對其信號質(zhì)量的要求也有所不同，用于天然氣貿易計量時(shí)，一般要求信號質(zhì)量不低于90%。

    信號質(zhì)量=接收信號數/發(fā)射信號數

    差錯率=（發(fā)射信號數-接收信號數）/發(fā)射信號數

    2.4 信噪比

    信噪比（SNR）是信號強度與噪聲強度比值，其值越大越好，廠(chǎng)家一般會(huì )給出其正常工作時(shí)的示值范圍，或報警限（表2）。但也有部分廠(chǎng)家沒(méi)有明確給出該示值，需通過(guò)公式計算。低信噪比常常意味著(zhù)控制閥（干擾）噪聲的存在。

表2 幾種超聲流量計信噪比（推薦值）

    2.5 流速特性

    流速特性當以剖面系數和漩渦角來(lái)表示時(shí)，其計算方法因聲道的布置方法不同而各有不同（對于均勻分布4聲道對射式超聲流量計其剖面系數是中間兩聲道的聲速和除以?xún)蛇厓陕暤赖穆曀俸停�，其主要反映的是天然氣在管道內流態(tài)的不均勻度，其值應該控制在一定范圍內方才合理，如：3400的剖面系數值在1.12~1.22之間，漩渦角值在1°～4°之間，RMG的剖面系數值在0.8~1.2之間，漩渦角值應小于3°。

    3 聲速核查

    聲速核查的方法，在A(yíng)GAReport9-2007、AGAReport10-2003以及JJG1030-2007中都有提到。JJG1030-2007中規定，如果每年進(jìn)行使用中檢驗并符合要求，超聲流量計檢定年限可延長(cháng)到6年。聲速核查的方發(fā)法不僅是超聲流量計使用中檢驗的一種手段，也是超聲流量計使用單位自診斷維護和設備管理的重要手段。

    聲速核查的主要原理是：天然氣組分、溫度、壓力值可以確定唯一的聲速值，當實(shí)測值與理論計算值一致時(shí)，則認為該流量計數據可靠。天然氣取樣分析以及溫度、壓力儀表的選擇安裝可參考GB/T18603-2001《天然氣計量系統技術(shù)要求》、GB/T18604-2001《用氣體超聲流量計測量天然計流量》和JJG1030-2007。

    聲速核查的指標要求：各聲道測量聲速與總平均值的偏差±0.2%；各聲道測量聲速之間的最大聲速差＜0.5m/s；測量聲速與理論計算聲速的偏差±0.2%；聲速測量的重復性＜0.1%。

    從目前國內聲速核查開(kāi)展的情況來(lái)看，大部分超聲流量計是滿(mǎn)足此要求的。聲速核查中測量聲速與理論計算聲速偏差的正負與測得流量與實(shí)際流量并無(wú)線(xiàn)性關(guān)系，聲速的偏大或偏小并不意味著(zhù)流量偏大或偏小，但聲速核查法可以反應出超聲流量計的工作狀態(tài)，同時(shí)還間接印證了整個(gè)計量系統（壓力、溫度、氣相色譜儀等）的穩定性和準確性。

    4 結論及建議

    1）增益值、信號質(zhì)量、信噪比3個(gè)參數是超聲流量計自診斷功能中的量化指標，在現場(chǎng)可對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，聲速核查體現了整個(gè)計量系統的穩定性和準確性，但需要配合天然氣組分分析儀、壓力、溫度傳感器等使用，根據情況可進(jìn)行實(shí)時(shí)或定期的核查，建議在線(xiàn)分析組分數據時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)核查，采用離線(xiàn)組分分析時(shí)，進(jìn)行定期核查。

    2）超聲流量計的配置文件和各項報警是其自診斷和維護的必用工具。配置文件中有其干標系數、實(shí)標系數、各聲道聲程計算、探頭參數等眾多影響計算流量的數據，若其數據不正確，在線(xiàn)診斷也難以判斷故障。因此建議在安裝、調試完超聲流量計后，對其配置文件和各項報警進(jìn)行一次存檔，其后應至少每3個(gè)月進(jìn)行一次存檔。

    3）在超聲流量計的自診斷中，如某項診斷參數出現報警時(shí)，應及時(shí)核對其他診斷參數以及對比其在正常工作時(shí)的參數。通過(guò)歷史事件調閱，檢查超聲流量計基礎參數是否被異常修改。