超声波流量计在天然气贸易交接计量中的应用探讨

操伟中

（中海油天津液化天然气有限责任公司，天津300452）

1 超声波流量计概述

超声波流量计是一种以速度差法为原理所设计的一种液体流量测量仪器，其采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术以及纠错技术，可以被广泛应用于各类工业现场的环境中，具有计量方便、准确以及经济实惠等多种优点[1]。从使用功能和特点来看，超声波流量计利用信号数字化的处理技术，可以进一步确保测量信号的稳定性，提高了测量的抗干扰能力，有利于提高计量的精准度，且超声波流量计内的无机械传动部件不容易损坏且不需要进行后期维护，使用周期长。

2 超声波流量计在天然气贸易交接计量中的应用

2.1 超声波流量计的选择

为了满足天然气贸易交接计量的精度要求，在对其计量方式进行选择时必须选择超声波流量计。目前，市场中常见的超声波流量计主要包括2、4、5以及6声道技术，2声道流量计仅可用于精准度要求为1%的计量中，4和5声道流量计的精度可以精准到0.5%，而6声道流量计的精度则可以精准到0.25%，多以4和5声道流量计的应用相对较多，但随着近年来6声道流量计技术水平的不断提升，其逐渐被广泛应用于实际应用中，并发挥出较好的应用效果。6声道超声波流量计主要使用了3个平面的6个声道进行测量，在高斯-切比雪夫理论下记性排列，即使在不对称或者涡流的情况下也均可以实现对流速的有效测量。

2.2 测量原理及方法

从计量原理来看，超声波流量计可以使声脉冲在管道内实现逆流和顺流的传播，通过对传播时间的测量，以此来计算出其在工作条件下通过气体超声流量的气体轴向平均流速和流量，工作原理见图1。

图1 超声波流量计工作原理图

图1 所示为单声道超声波的工作原理图，其中L表示直线传播的距离，x表示垂直传播的距离，D则表示管径，声脉冲的传播时间可使用以下公式进行计算：

公式中，t1表示反向传输时间，t2表示正向传输时间，v表示天然气流体速度，c表示声速，根据上述公式进行转变，可进一步得出天然气流体速度和声速公式如下：

天然气施工过程中的瞬间体积流量qvf的计算公式如下：

其中，qvf表示当前工况条件下天然气的瞬间体积流量，π（D/2）2表示管道的横截面积，通过对公式的进一步转变可以得出qvf的计算公式如下：

其中，qvn用于表示标准参比条件下天然气产生的瞬间体积流量，Pn表示标准参比条件下产生的绝对压力，Pf表示工作条件下的绝对静压力，Tn表示标准参比条件下产生的热力学温度，Tf表示工作条件下的热力学温度，Zn表示标准参比条件下产生的压缩因子，Zf表示工作条件下的压缩因子。

2.3 安装条件

①安装温度：从安装的温度条件来看，温度计的安装应当在-20℃～60℃的环境下，工作环境应当保证在-40℃～60℃，在实际安装的过程中，应当结合具体的施工环境采取相应的防晒或防冻措施。②安装环境：在安装超声波流量计时，尽量避免在振动的环境下安装，尤其是可以导致信号处理单元等出现共振的环境，同时也应当避免可能存在的电器噪声环境。③注意事项：a超声波信号电缆与具有强电场以及强磁场电器设备与电缆之间的距离必须超过1.5m，若设备或电缆带有屏蔽的穿金属保护管时，二者之间的距离则必须超过0.8m；b电缆的铺设必须严格按照工程的操作规范施工，使埋地铺设的深度必须超过70cm且需要埋于冻土层下方；c自动计量系统必须根据工程的实际情况，将其设置为保护接地或信号回路接地等接地方式，确保接地方式的可靠性，使接地电阻符合工程的标准要求；d流量计或仪表的安装必须严格按照工程的施工标准，以免出现由于安装不规范所造成的测量误差；e减少安装过程中声学噪声对测量结果或性能产生的影响，尽量将流量计安装于调节阀的上游处，减少其他噪音对流量计量结果产生影响，或通过于下游管段安装弯管的方式，利用缓冲的气量流速以此来减少噪音对计量结果产生的影响；f安装前仔细检查流量计附近是否存在可能的流动脉动，并采取相应的措施减少脉动对测量结果产生的影响，减少测量结果的不确定性。

2.4 系统设计

根据超声波流量计的具体测量方法以及安装条件，需要针对超声波流量计、压力传感器、温度传感器以及流量计算机分别进行系统设计，设计方法如下：①超声波流量计：根据工程的基本要求，本工程内所安装的超声波流量计为DN250气体超声波流量计[2]，通过对天然气贸易交接计量的计算，其日均气量为1×106m3，该超声波流量计共计包括4个超声波测量声道，可以有效实现对输送管道内天然气贸易交接量的有效测量，其可以通过对超声换能器声波信号的有效利用，实现对电路以及DSP微控制器所组成信号处理单元的有效采集和处理，并将其转换为相应的脉冲输出信号。②压力传感器：本工程内下游直管段上安装了压力传感器，主要用于被测气体压力的测量，输出的标准信号为4～20mA，利用计算机将其上传至流量计算机上，从而用于压力补偿中。③温度传感器：本工程内下游直管段上同时安装了温度传感器，以此来实现对被测量气体温度的测量，与压力传感器相同，均利用计算机将其上传至流量计算机上，从而用于压力补偿中。④流量计算机：在使用流量计算机对流量进行计算时，通常会利用串口通信或频率输入的方式以此来实现对流量计所统计工程流量信息的有效采集和整合，同时也将分别采集压力传感器以及温度传感器所上传的相关数据信息，所有的数据采集以及信号输送等方式均符合国家的相关规定，且内部的系统软件具有设计合理性，计量管理功能齐全等特点，拥有安全的数据库，且计算机的储存功能较为庞大，可以有效实现对被测量各种历史数据的储存以及相关配置参数的修改等，具有良好的电磁兼容性。其中，计算机的体积量运算采取了多种气体压缩因子的计算方式，且根据不同的特定场所均有其所符合的计算方式。

2.5 运行维护

运行维护作为确保超声波流量计稳定运行的主要工作环节，本工程内针对超声波流量计的维护主要以《GB/T 18604-2014用气体超声流量计测量天然气流量》[2]中的运行维护和保养要求进行运行维护，并定期对超声波流量计、温度传感器以及压力传感器等进行统一的维护和保养，针对不同设备的保养操作流程等进行详细的规范，做出明确的规定。

2.6 实施效果

根据《GB/T 18604-2014用气体超声流量计测量天然气流量》中的规定，对超声波流量计的实际运行效果进行分析，结果从计量准确性来看，经过1周的运行，其所计量的准确性相对较高，且在使用的过程中并未进行维护，相较于传统的标准孔板流量计，超声波流量计发挥出了更高的计量准确性，且不确定因素相对较少。从计量的可靠性来看，由于超声波流量计在使用前采取了设计的方式设定了具有针对性的计量系统方案，因此通过其在流程区域内于标准孔板流量计的串联，结果发现超声波流量计所产生的误差明显低于标准孔板流量计，进一步体现出了超声波流量计的实际应用高效果。

3 结语

综上所述，通过本文对超声波流量计在天然气贸易交接计量中的应用分析，将为其他工程内的超声波流量计应用提供有效的理论依据，从而为提高我国的天然气贸易交接计量精细化管理水平产生了积极的影响，为超声波流量计日后的广泛应用和推广做出了巨大的贡献。