淺析超聲流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

　　隨著我國(guó)天然氣市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，天然氣的計(jì)量問(wèn)題也變得越來(lái)越重要，精確地計(jì)量對(duì)于天然氣貿(mào)易具有十分重要的影響，超聲波流量計(jì)是一種新型的氣體流量統(tǒng)計(jì)儀，測(cè)量范圍大、具有準(zhǔn)確度高、不易壓損、重復(fù)性好、部件固定、適合于口徑較大的氣體管道測(cè)量工作，因此廣泛適用于天然氣長(zhǎng)輸管道的計(jì)量工作中。
　　1工作原理
　　超聲流量計(jì)是一種利用聲波對(duì)流管內(nèi)流體流速進(jìn)行測(cè)定的計(jì)量?jī)x器，氣體測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)主要的設(shè)備是超聲傳感器，傳感器一般被安裝在管壁上，傳感器與傳感器之間以幾何形的方式排列。目前，所使用的超神波流量計(jì)有多個(gè)不同的形式，這種形式上的差異主要是由不同的幾何形排列所導(dǎo)致的。超聲波流量計(jì)所使用的是時(shí)間差法，在具體操作中，將一對(duì)斜角超聲流量計(jì)算安裝早管道的一側(cè)，而將一對(duì)換能器裝在管道的另一頭，這樣當(dāng)氣體通過(guò)后，則可以同時(shí)，或是在設(shè)定的時(shí)間上獲得對(duì)方的超聲信號(hào)。具體操作如下：現(xiàn)在管道兩頭安裝超聲波流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器A與轉(zhuǎn)換器B，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的距離假設(shè)為L(zhǎng)，流體在管道內(nèi)的聲速為C，且流體自身速度為V，聲波傳播方向與流體在管道內(nèi)的流動(dòng)方向夾角為θ，聲波在流體中順流的傳播時(shí)間，在流體中逆流傳播時(shí)間為，則可以通過(guò)如下公式計(jì)算出氣體流量：
　　
　　聯(lián)立解方程（1）式和方程（2）式可得
　　
　　從式（3）求出被測(cè)氣體的流速后，與超聲波流量計(jì)的截面積相乘，得到的就為流體在管道中的工況流量；利用壓縮因子及溫度、壓力信號(hào)對(duì)工況流量進(jìn)行修正，從而得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量交接。
　　2超聲流量計(jì)在使用中的注意事項(xiàng)
　　超聲波流量計(jì)在高壓環(huán)境下，以及長(zhǎng)距離輸送管道的氣體計(jì)量中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化，因此超聲波流量計(jì)必須達(dá)到 GB/T18604標(biāo)準(zhǔn)，也就是2001所頒布的《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且在溫度、振動(dòng)以及電氣噪聲等問(wèn)題上達(dá)到廠家標(biāo)準(zhǔn)。具體需要注意情況如下：
　　2.1噪聲影響
　　管路中的各種管件可能會(huì)出現(xiàn)共鳴的現(xiàn)象，或是受到空氣振動(dòng)的影響，而發(fā)出噪聲，這些噪聲對(duì)于超聲波流量計(jì)會(huì)造成一定程度的影響。超聲流量計(jì)的工作原理是根據(jù)聲波與流體之間的速度差來(lái)判定流體的流量，因此如果噪聲的頻率與流量計(jì)的工作頻率相同，那么流量計(jì)的接收就會(huì)收到干擾。根據(jù)文獻(xiàn)資料記載，噪聲對(duì)于流量計(jì)的影響具有重復(fù)性，并且十分明顯，最高超過(guò)2%，因此，在計(jì)量管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該盡可能采用那些沒(méi)有彎頭，沒(méi)有阻流件，同時(shí)在流量計(jì)安裝的過(guò)程中，應(yīng)該在其下游安裝一個(gè)調(diào)節(jié)閥，從而確保流體流暢的穩(wěn)定性。在流量計(jì)的選擇上，挑選性能較強(qiáng)的產(chǎn)品，從而增強(qiáng)其對(duì)噪聲的抗干擾與過(guò)濾能力。
　　2.2管道配置
　　2.2.1直管段長(zhǎng)度要求
　　我們?cè)趯?duì)流量計(jì)上下游的阻力件閥門(mén)或是匯管在測(cè)量過(guò)程中，會(huì)影響到被測(cè)介質(zhì)的物理形態(tài)，比如產(chǎn)生漩渦或是造成氣流扭曲畸變等，從而增加測(cè)量的誤差率，速度分布畸變的情況越是嚴(yán)重，誤差越是嚴(yán)重，因此，在安裝流量計(jì)的同時(shí)，應(yīng)該在其上下游增加一定長(zhǎng)度的直管，從而起到穩(wěn)定介質(zhì)形態(tài)的作用，確保最終檢測(cè)的準(zhǔn)確性。從實(shí)際的效果來(lái)看，上下游直管的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流量計(jì)最終的準(zhǔn)確性就越高。根據(jù)GB/T18604-2001標(biāo)準(zhǔn)，直管在上游的長(zhǎng)度應(yīng)該不少于 10D，而在下游的長(zhǎng)度最短不少于5D，但是，由于管道情況較為復(fù)雜，因此，上游管道10D是無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際要求的，最好能夠增加到20D。如果在管道內(nèi)增加整流器的話(huà)，則應(yīng)該要求生產(chǎn)廠商提供相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及施工位置和相應(yīng)的直管長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，并且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，方可施工。
　　2.2.2直管段的質(zhì)量要求
　　在直管段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，任何臺(tái)階或是其他形式的突出物都會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)流體形態(tài)的改變，從而對(duì)超聲波計(jì)量產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)記載，在超聲波流量計(jì)上下游附近如果存在0.01D的臺(tái)階，其所導(dǎo)致的誤差最大可達(dá)0.05%。因此在直管段的組裝過(guò)程中，應(yīng)該選擇適合的管型，限制臺(tái)階與其他突出物的數(shù)量。
　　2.3臟污堆積
　　管道內(nèi)如果有臟物，會(huì)直接影響到氣體流速，從而影響到計(jì)量結(jié)果，臟物一般情況下會(huì)堆積在流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)壁，或是超聲波計(jì)量?jī)x器的灘頭上，這樣也就意味著相對(duì)增加了測(cè)量管道的內(nèi)徑，從而造成最終讀數(shù)過(guò)高。管壁變厚的另一大影響是會(huì)造成聲波反射異常，會(huì)影響到流量計(jì)的準(zhǔn)確度及重復(fù)性。此外，若在超聲波流量計(jì)的探頭上占有大量臟物堆積的話(huà)，會(huì)大大縮短超聲波的傳輸時(shí)間，會(huì)使流量計(jì)讀數(shù)造成影響，使讀數(shù)偏高，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。造成臟物堆積的主要原因是因?yàn)闅怏w氣質(zhì)不純，雜物居多，因此必須同時(shí)利用好流量計(jì)監(jiān)測(cè)軟件，來(lái)加強(qiáng)天然氣氣質(zhì)方面的監(jiān)測(cè)力度。收集管壁內(nèi)的聲音數(shù)據(jù)也是及時(shí)發(fā)現(xiàn)管壁內(nèi)臟物堆積問(wèn)題的重要手段，并且定期對(duì)管壁進(jìn)行清潔。
　　3檢定
　　檢定的目的是為了預(yù)防儀表發(fā)生故障，目前只有國(guó)家石油天然氣大氣流量計(jì)量站是具有檢定資質(zhì)的。國(guó)家站下屬部分站點(diǎn)，其實(shí)際流量檢定技術(shù)都已經(jīng)達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并且包括全國(guó)大部分天然氣產(chǎn)品。一般將天然氣超聲流量計(jì)的檢定分為離線(xiàn)實(shí)際流量檢定和在線(xiàn)實(shí)際流量檢定兩種。由于受到安裝條件，道路運(yùn)輸條件、移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)等方面的限制和環(huán)境因素的影響，我們經(jīng)常使用離線(xiàn)實(shí)際流量的檢定作為依據(jù)。根據(jù)JJG1020-2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》中規(guī)定，如果流量計(jì)自身具有自檢功能，且能夠進(jìn)行報(bào)警，以及做好記錄，則每年需對(duì)其再進(jìn)行因此現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。實(shí)際流量的檢定的周期很長(zhǎng)，平均周期為6年。從檢定操作的效果來(lái)看，其對(duì)于降低超聲波流量計(jì)故障具有十分顯著的作用。
　　4使用中的維護(hù)和檢修
　　在使用過(guò)程中，測(cè)量的正確性受下列因素的影響，如現(xiàn)場(chǎng)安裝換能器探頭部位的管線(xiàn)震動(dòng)、溫度變化，管道內(nèi)結(jié)垢情況的變化，以及超聲波流量計(jì)電路工作點(diǎn)的漂移等等。這些都會(huì)直接影響著測(cè)量的正確性。因此，需要定期檢查和維護(hù)超聲波流量計(jì)。常規(guī)工作主要有：
　　4.1信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)良度的檢查
　　信號(hào)強(qiáng)度（SignalStrength）是指上下游探頭的信號(hào)強(qiáng)度；信號(hào)良度（SignalGoodness）主要表示的是上下兩個(gè)傳輸方向上的信號(hào)峰值，根據(jù)其可判斷接受信號(hào)的優(yōu)良程度。如果這兩個(gè)信號(hào)存在著錯(cuò)誤，則需要檢查探頭的安裝是否松動(dòng)或者耦合劑硬化有沒(méi)有失效，通常情況下，為了保證上述信號(hào)的數(shù)值的正確性，需要對(duì)探頭進(jìn)行重新安裝。
　　4.2傳輸時(shí)間和傳輸時(shí)差的檢查
　　傳輸時(shí)間（TotalTime）表示的為超聲波平均的傳輸時(shí)間；傳輸時(shí)差（DeltaTime）用來(lái)表示的是上下游傳輸時(shí)間差。超聲波流量計(jì)對(duì)流速的測(cè)量主要依據(jù)上述兩個(gè)信號(hào)，尤其，是傳輸時(shí)差是否能反映流量計(jì)的工作穩(wěn)定。如果這兩個(gè)信號(hào)出現(xiàn)不穩(wěn)定，則需要對(duì)安裝點(diǎn)進(jìn)行檢查，并判斷其設(shè)置數(shù)據(jù)是否存在問(wèn)題。
　　4.3電流環(huán)模擬輸出的檢查
　　由于該廠的實(shí)際使用中，超聲波流量計(jì)都擔(dān)任的是變送器，超聲波流量計(jì)的信號(hào)由DCS進(jìn)行接收，然后再對(duì)其進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)。所以，超聲波流量計(jì)的電流環(huán)模擬輸出必須是準(zhǔn)確的。而在實(shí)際工作中，我們可以以一年為檢修段，一年內(nèi)，校驗(yàn)和修正電流環(huán)模擬輸出一次，從而保證DCS的準(zhǔn)確計(jì)量。
　　4.4定期標(biāo)定和校正
　　超聲波流量計(jì)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行流量進(jìn)行標(biāo)定，以確保其測(cè)量的準(zhǔn)確性，標(biāo)定一般采用對(duì)比法，在具體的操作中，筆者采用日本富士公司生產(chǎn)的富士電子便攜式超聲波流量計(jì)作為參照流量計(jì)，將其與被標(biāo)定的流量計(jì)作比較，從而確定被標(biāo)定流量計(jì)的流量。
　　5結(jié)論
　　從實(shí)踐的情況來(lái)看，氣體超聲流量計(jì)是一種完全適用于天然氣貿(mào)易的流量統(tǒng)計(jì)設(shè)備，其對(duì)于提升天然氣計(jì)量水平具有十分顯著的作用，氣體超聲流量計(jì)具有量程比寬、結(jié)實(shí)耐用、無(wú)壓損、準(zhǔn)確度高、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，并且不易受到安裝環(huán)境，噪聲以及雜物、臟物等影響，因此具有十分良好的適應(yīng)性，必將在天然氣流量測(cè)量領(lǐng)域中具有十分廣泛的應(yīng)用前景。