浅谈气体超声波流量计在天然气流量计量中的应用

郑静

重庆气矿计量检测中心 重庆 400021

在天然气计量方面，气体流量监测和调节是加强天然气行业能源管理、资产管理以及企业在物质交换过程中的决策过程和财务结算过程中的重要基础，在对效率进行评价和分析的过程中，以及在对生产过程进行实时监控的过程中，保证生产活动的稳定安全运行等方面，科学的选用流量计无疑是设计环节的最重要的组成部分之一。科学的流量计必须兼顾准确性、可靠性、可操作性、可维护性，自动化和及时性。

1 超声波气体流量计的工作原理

超声波是高频率的声波，人类可以通过听觉感知到的声波频率范围为（0.02-20）kHz，而超声波的频率在20kHz以上。超声波流量计以测量声波在流动介质中传播时间与流量的关系为原理，由换能器将电能转换为超声波能量，在管道内向逆流和顺流方向传播，其传播时间差与被测气体的平均轴向流速有关，通过传播时间差就可以得出气体的流速，进而计算出气体的流量。再将压力、温度以及气体组分上传到流量计算机中进行修正，即能得出标况下的气体流量（如图1）。

图1 超声波流量计原理图

当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下列表达式

其中

θ为声束与液体流动方向的夹角

M 为声束在液体的直线传播次数

D 为管道内径

Tup 为声束在正方向上的传播时间

Tdown为声束在逆方向上的传播时间

2 安装要求

2.1 安装环境

超声流量计的使用环境温度范围为（-25～55）℃，同时应根据安装点的环境及工作条件，对超声流量计采取必要的隔热、防冻及其它保护措施（如遮雨、防晒等）；流量计的安装应尽可能避开振动环境，特别要避开可引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。在安装超声流量计及其相关的连接导线时，应避开可能存在较强电磁或电子干扰的环境，否则应咨询制造厂并采取必要的防护措施；与超声流量计工作频率相近的噪声会影响超声流量计的正常工作，如果现场条件不可改变，则应咨询制造厂进行安装。一般情况下应避免直接在调节阀之后安装超声流量计，控制阀宜安装在超声流量计的下游，如在上游则应该保证足够远的距离。下面情形所产生的超声噪声会干扰超声流量计的正常工作：

（1）上游有调节阀处于半开状态时。

（2）上游控制阀产生较大压降时。

（3）调节阀即使安装在超声流量计的下游，也可能干扰超声流量计正常工作。

（4）某些产生超声波的低噪声调节阀。

2.2 管道配置

2.2.1流动方向

如果流量计具有双向测量功能，并且也准备将其运用于这种测量场合，那么在设计安装时，流量计的两端都应视为上游，即下游的管道配置形式和相关技术要求应与上游一致。

2.2.2管道安装

为保证在流量计的全量程范围内，流量计的现场测量性能满足要求，且安装条件引起的附加测量误差不超过±0.3%，制造厂应按照用户提供的流量计预期安装条件，推荐流量计上、下游直管段长度，以及是否带流动调整器。

2.2.3安装位置

（1）工作场所没有过多灰尘和腐蚀性气体；

（2）直管段长度：上游侧10D以上，下游侧5D以上（当流速较低时，可适当降低直管段要求）；

（3）上游侧30D以内不得有扰动因素（如泵、阀门等）；

（4）流体必须充满管道，不能含有气泡或过量杂质；

（5）安装探头的管道不应有强烈的机械振动；

（6）安装探头的管道周围需要足够空间。

2.2.4探头安装方法

超声波流量计探头采用V法和Z法安装

下列情况使用Z法：

（1）安装空间有限；

（2）被测流体中含有少量杂质；

（3）接收波较弱（比如用水泥做衬里）

2.3 表体安装条件

超声流量计表体安装各厂家要求各不相同，一般应保证表体水平安装，有的还应将表体法兰上定位销孔与上、下游直管段相应销孔对齐。安装时应留有足够的检修空间。超声流量计的内径、连接法兰及其紧邻的上、下游直管段应具有相同的内径，其偏差应在管径的±1%以内；超声流量计及其紧邻的直管段在组装时应严格对中，并保证其内部流通通道的光滑、平直，不得在连接部分出现台阶及突入垫片等扰动气流的障碍；与超声流量计匹配的直管段，其内壁应无锈蚀及其它机械损伤，在组装之前，应除去超声流量计及其连接管内的防锈油或沙石灰尘等附属物；使用中也应随时保持介质流通通道的干净、光滑。对单向流测量，应将温度计插孔设在超声流量计下游距法兰端面（2～5）D之间；对双向流进行测量，温度计插孔应设在距超声流量计法兰端面至少3D的位置。是否安装整流器主要取决于所选择的超声流量计种类（单声道或多声道）及上游阻力件对流态干扰的程度。使用在线分析系统时，应使所取气样尽可能接近超声流量计测量处的状态，但不可对超声流量计入口处流态产生影响或造成未经测量的旁通流，应尽量在超声流量计下游安装在线分析系统。

2.4 其它安装条件

在气质较脏的场合，可在超声流量计的上游安装气体过滤器，过滤器的结构尺寸应能保证在最大流量下产生尽可能小的压力损失和流态改变。在使用过程中，应监测过滤器的差压，定期进行污物排放和清洗，确保过滤器在良好的状态下工作。

安装前必须先认真阅读超声流量计的说明书或安装手册，并按所供提的接线图连接所有电源线、流量、压力和温度信号线。

压力变送器测试为表压则需在超声流量计计算机中输入当地的大气压；若测试为绝压，则在超声流量计计算机内输入大气压值为0。流量计的电气设备和仪表防爆等级应符合GB3836.1《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》的规定，隔爆型电器设备和仪表应符合GB3836.2《爆炸性气体环境用电气设备 第2部分：隔爆型“d”》的规定，本质安全型电路和电器设备符合GB3836.4《爆炸性气体环境用电气设备 第4部分：本质安全型“I”》的规定，其它防爆型式的电器设备也合专用标准的规定；电缆护套、橡胶、塑料和其它裸露部分应当耐紫外光、油脂和阻燃。

3 具体实例

某公司开发的超声波天然气计量系统在规划3×105m3/D LNG项目时，按2×104m3/D计算来设计配管，根据'用超声波气体流量计测量气体流量'的要求，超声波气体流量计设计为10.16cm，设计为在直管10d和2-5d的流量下安装带收集器的流量计。为保证流量计的计量准确，在选材时必须同时考虑，严格按照操作要求和相应标准选用专业厂家。测量管的设计应安装温度和压力传感器，对温度和压力进行及时补偿，并在程序中加入summat8800计算机对管道流量进行测量，可根据用户个人需要设计和提供交通趋势信息，以及压力和温度数据[1]。通过触摸屏或前面板上的导航菜单驱动，在实际操作中，summit8008可以根据信号连接准确地传输标准气体流量信号。Modbus RS-485协议不仅使用方便，而且便于数据采集。

超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越，是一种特别适用于大管径流量测量仪表[3]。

4 气体超声波流量计在实际应用中的注意事项

在测量空气流量时，确实有许多其他类型的超声波流量计无法与其他流量计相比，但在实施过程中，应特别注意以下问题。

4.1 正确选择超声波气体流量计的类型

理想流量计的特征如下：

（1）在宽的量程比内高精度、高重复性，可忽略的截止流量。

（2）不受介质中的固体颗粒和液体影响。

（3）不受旋涡流、不对称流和脉动流影响。

（4）可忽略的压降。

（5）对气体组分不敏感。

（6）同等精度双向流计量。

（7）高的压力应用范围。

（8）易于安装维护。

（9）具备自校正和自诊断功能。

任何一种流量气体计都应该有自己的气体检测应用范围，虽然目前超声波流量气体计和流量温度计的气体测量应用范围很广，但为了保证选型的准确性，必须充分考虑和尽量避免天然气管道的流量超限或超限。在我们选择使用超声波仪器测量室内气流的最佳时间时，必须考虑这些因素。超声波中水流量的预计设备作为对超声波的干扰源，受到一定的环境影响，如果预计设备的实际超声波振动频率或工作噪声过高，气体水在超声波中的流量与设计的实际工作频率就非常容易接近。建议贸易用流量计在选型时，将气体超声流量计与孔板、涡轮等其它流量计相结合，使气体超声流量计的先进性能与其它仪表的可靠性相结合。

4.2 正确安装超声波气体流量计

正确的安装是保证超声波气体流量计正常运行的关键，在实际应用中，安装过程中应严格按照相应的标准和要求进行。确保管道上下游凝结水的顺利处置。一些含有粉尘颗粒的过滤器必须设计用于安装，以避免由于转换器表面的沉积物而导致测量缺陷[2]。

4.3 定期维护超声波气体流量计

在超声波气体流量计的使用过程中，必须定期检查和清洗，应注意保持超声探头清洁，当增益值/噪声或信噪比/信号质量等反应探头清洁程度的技术指标接近或达到界限值时，超声流量计的计量结果不准确；当表体和直管段严重脏污时也会影响其计量结果。

流量计探头更换一般分为带压更换探头和不带压更换。带压更换探头具有很高的风险性，一定要有专业的工具及经过厂家培训的专业人员进行操作，否者应咨询厂家的技术人员。

4.4 及时进行诊断试验

为监控超声波测量仪的健康情况和确保其是在可接受的技术规范下运转的，必须执行日常的诊断工作。这些诊断检查的结果应该能表明流量计原始安装的变化或者经过一段时间后所出现的变化。检查月度或者季度集中的单个维护记录和报告，可以及时了解流量计的健康情况。而在使用脏气流（夹带油、液体或者其它污染物）的情况下，需要较高的频率。

5 结语

气体超声流量计应用广泛，具有设备简单、操作方便、冲击小、精度高等特点，在天然气工程框架内，人们普遍接受并逐渐成为不可替代的消费手段。开展天然气项目，广泛使用超声波气体流量计进行与天然气贸易有关的计量，天然气工业取得了长足的进步，并逐渐为用户所接受。