气体超声波流量计在天然气测量中的应用

丁晓锋

（东华工程科技股份有限公司上海分公司，上海200233）

在计量领域中，流体流量的监测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理，进行物资交接、财务结算，效益分析与评价以及决策的重要依据；也是监控生产过程，使其保持高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。流量计的选择无疑成为工程设计中的关键，而其选型重点则主要集中满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度等方面。

为了满足测量需求，多年来，人们根据不同的测量原理，研发出了数十种不同类型的气体流量计，按测量原理可分为容积式、速度式、差压式、质量式等。各种类型的流量计原理不同，结构也不同，既有独到之处，但又存在相应的局限性。为达到较好的测量效果，需要针对不同的应用场合、不同的工作范围，选择不同的类型、不同型号的流量计。由于气体超声波流量计具有测量范围宽、便于安装、易维护、流量测量的影响因素少、准确度高、重复性好等特点，使其成为天然气贸易计量领域中很重要的流量仪表。随着天然气项目的不断建设，气体超声波流量计用于天然气贸易交接计量，获得了长足的发展，并逐步为用户接受。

1 工作原理及特点

时差法流量计利用2个传感器相向收发超声波，每个传感器都有发射和接收的功能，超声波声脉冲能量通过管壁和流体以一定的已知角度在2个传感器间传播。超声波声脉冲在2个传感器间的传播时间受流体流速的影响，从上游传感器发向下游传感器的声速度由于叠加了流体自身流速而加快，而由下游传感器发向上游传感器的声速度由于流体逆向流动而减慢。上游和下游传播时间的净时间差与流速成正比，如图1所示。由于时差法测量系统没有内在的惯性，因而时差法流量计具有很高的灵敏度，可以测量非常低的流速和流量。

图1 气体超声波流量时差法流

量计工作原理示意

顺流方向的传播时间：

按逆流方向的传播时间：

顺流和逆流情况下超声波传播的时间差：

式中：c——超声波信号在被测流体中的声速；L——超声波行走路径长度；t＋，t－——超声波顺流时间、逆流时间；v——声道上的平均流速；θ——超声波的传播方向与流体的流动方向夹角；vl＝vcosθ。

由于vl相对c而言很小，（vl）2可忽略，因此

当c为常数时，vl和Δt成正比，测得时间差即可求出流速，进而求出流量大小。但时差法的比例常数与声速有关，而声速随温度变化，因而被测流体温度变化会带来测量误差。现在使用的时差法是利用声波在顺流方向和逆流方向传播的速度之差来反应流体的流速，从而求得流量的，故又称速度差法。其原理是：

整理后可得：

2 计量系统方案

在巴彦淖尔市恒泰公司3×105m3／d液化天然气项目设计中，流量按2×104m3／h进行设计。

采用一台10.16cm（4in）的气体超声波流量计作为计量仪表，其计量管路严格按照GB／T 18604—2001《用气体超声流量计测量天然气流量》中有关管道配置的要求进行设计。推荐的安装要求如图2所示，即前10D、后3D的直管段，并在前10D直管段前安装整流盘，温度仪表可以安置在流量计下游2～5D处（流量计本体上有1.27cm（0.5in）NPT的取压口）。为了保证流量计计量的准确性，应选择专业生产直管段和整流盘的厂家。同时，计量管路上还配套安装了温度和压力检测变送器作为温压补偿，以使气体的测量精度更加准确。

另外，该方案中还配备了计量管路专用的流量计算机SUMMIT 8800，它具有典型用户个性化设计的趋势，可显示流量趋势、压力和温度检测数据。利用菜单驱动的触摸屏或前板面上的导航器，可方便地使用其菜单结构。

在实际应用中，SUMMIT 8800的具体信号连接方案如图3所示。基于SUMMIT 8800，可以把天然气流量信号通过RS－485标准Modbus协议方便地传输到DCS，既方便了用户使用，也使数据采集更加方便快捷。

图2 气体超声波安装要求示意

3 应用优势

目前，国内外天然气计量流量计主要有三种类型：孔板流量计、涡轮流量计和超声流量计。

1）孔板流量计的主要特点：结构易于复制、简单牢固、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉等，整套流量计由节流装置、差压变送器和流量显示仪（或流量计算机）组成。但是孔板流量计输出信号为模拟信号，重复性不高；范围度窄，压损大，现场安装条件要求高等，对整套流量计的精确度影响因素多且错综复杂，因而精确度提高的难度很大。

2）涡轮流量计的特性易受介质物性和流体流动特性的影响，越是高精确度，其影响越敏感，例如介质脏污、结垢使叶片及通道发生变化，流量计特性亦随之改变；轴承磨损使特性偏移等。流体流动特性有层流速度分布和流体脉动等的影响，需保持仪表校验时的参比流动条件，其仪表系数才会保持不变，否则需进行相应的修正或实行在线校准，以获得现场实际的流量计特性。

3）与孔板、涡轮流量计相比，气体超声流量计主要优势：无阻碍物，无可动部件，无压损，无示值漂移现象；范围度宽（40∶1～200∶1）；不受气体压力、温度或组分变化的影响；不受气体中固体颗粒和液滴的影响；重复性好，精确度高，线性好（采用了分布合理的多反射并将声程加长的专利技术）；有强大的自检测与自诊断功能；全数字式计量系统，易于实现数字通信；超声传感器表压可正常工作在0.1～15MPa；采用单反射和双反射，与普通传统声道的超声流量计相比声道长度增大了6倍，使测量误差减少50%以上；专利的声道布置合理，可形成密闭的超声层析网络，相对于管轴线是绝对轴对称的，不受安装方位、速度分布和涡流的影响；维护简单，可带压更换超声换能器，无须重新标定；可精确测量双向流和脉动流。

在市场化运作的今天，如何为业主节约成本，也是设计时需要考虑的重要因素。

图3 信号连接方案示意

4 结束语

目前该系统已投入现场使用阶段，ALTOSONIC V12无移动的零部件，没有磨损，从而降低了对维护的需求。由于压力损失小到可忽略，故无需额外的压缩机。管道设计相当简单，省去了许多零部件，例如，不需要过滤器，可进一步降低维护成本，提高流量计的可靠性。实践证明，气体超声波流量计完全适用于天然气贸易计量，可有效提高天然气计量技术水平，值得借鉴。

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