氣體超聲波流量計在天然氣計量中的應用
氣體超聲波流量計是二十世紀九十年代后期才成熟起來(lái)的一種新型流量計，它具有無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)阻力件、無(wú)壓損、量程比寬、準確度高、全自動(dòng)化、可測量雙向流、含液流等特點(diǎn)。近幾年在天然氣計量領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。氣體超聲波流量計作為一種新型流量計，其真正的計量性能有待于研究證實(shí)。
根據檢測的方式，氣體超聲波流量計可分為傳播時(shí)間差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法等不同類(lèi)型的氣體超聲波流量計。其中在氣體超聲波領(lǐng)域用得最多的是傳播時(shí)間差法，即時(shí)差式氣體超聲波流量計。
1、時(shí)差式氣體超聲波流量計的工作原理
時(shí)差式氣體超聲波流量計的是利用超聲波在氣體中沿順流傳播的時(shí)間和沿逆流傳播的時(shí)間差與氣體流速成正比這一原理來(lái)測量氣體流量的。工作原理見(jiàn)圖1。
圖1中，氣體超聲波流量計的換能器Ａ和換能器Ｂ裝在管道兩側，超聲波的聲程長(cháng)度為Ｌ，超聲波傳播的方向與流體在管道中的流動(dòng)方向夾角為θ，超聲波在流體中的順流傳播時(shí)間為ｔＤ，逆流傳播時(shí)間為ｔＵ。
從式（3）中可以看出，氣體的流速測量與介質(zhì)的聲速無(wú)關(guān)，只與長(cháng)度和時(shí)間兩個(gè)參數有關(guān)。氣體超聲流量計測量原理是長(cháng)度與時(shí)間兩個(gè)基本量的結合，其導出量時(shí)間和長(cháng)度的溯源性好，溯源準確度高，超聲波流量計能夠有很高的計量準確度。并能夠以此建立流量基準。
2、氣體超聲波流量計在天然氣流量計量中的應用
天然氣流量計量是一個(gè)復雜的多參數測量過(guò)程，在研究時(shí)要保證測量準確性需要有相應的流量比對裝置。在本實(shí)驗研究中，我們將氣體超聲波流量計與一套標準孔板流量計串聯(lián)運行，使我們的實(shí)驗數據更加有效，更有說(shuō)服力。我們選用的是美國丹尼爾公司生產(chǎn)的四聲道氣體超聲波流量計，管道內徑是300mm，流量范圍（工作狀態(tài)下）：240～6405m3/h，其在標準狀況下最大、最小流量見(jiàn)表1。
氣體超聲波流量計在實(shí)驗流程示意圖見(jiàn)圖2。標準孔板流量計的計量管徑305mm，孔板內徑130.079mm。
2.1噪聲對氣體超聲波流量計準確度影響
GB/T18604-2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》中提到來(lái)自被測介質(zhì)內部的噪聲可能會(huì )對氣體超聲波流量計的測量準確度帶來(lái)不利的影響。噪聲的來(lái)源主要有環(huán)境噪聲和氣流經(jīng)過(guò)沒(méi)有全開(kāi)的閥門(mén)時(shí)節流的噪聲。我們采用氣體超聲波流量計上游閥門(mén)1節流控制流量大小時(shí)，節流的聲音隨著(zhù)流量的增大而增大，氣體超聲波流量計與標準孔板流量計的相對誤差也逐步增大，氣體超聲波流量計的流量低于標準孔板流量計流量。當閥門(mén)1全開(kāi)，用閥門(mén)2控制流量大小的時(shí)候，氣體超聲波流量計的信噪比較大且基本保持不變，氣體超聲波流量計與標準孔板流量計的相對誤差基本保持不變。實(shí)驗數據見(jiàn)表2和表3。
從表2和表3中可以看出，當采用上游閥門(mén)1節流的時(shí)候，氣體超聲波流量計的信噪比明顯低于上游閥門(mén)全開(kāi)的時(shí)候。這是因為，當氣體超聲波流量計上游閥門(mén)節流時(shí)除了能產(chǎn)生我們能聽(tīng)到的聲音外還能產(chǎn)生人耳無(wú)法聽(tīng)到高頻超聲波，當這種聲波的頻率與氣體超聲波流量計的工作頻率相近時(shí)氣體超聲波流量計信噪比降低，從而影響流量計的測量準確度。
2.2流態(tài)對氣體超聲波流量計的影響
GB/T18604-2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》要求氣體超聲波流量計上游直管段最少為10D，下游直管段至少為5D，以保證進(jìn)入流量計的天然氣流態(tài)是對稱(chēng)的充分發(fā)展的紊流速度分布。計量管路中的閥門(mén)、空間彎頭等阻流件會(huì )對天然氣的速度分布產(chǎn)生影響，從而影響測量的準確度。圖3是氣體超聲波流量計的聲道分布示意圖，沿管道橫截面由上到下平行分布四個(gè)聲道。氣體超聲波流量計通過(guò)對各個(gè)聲道測得的流速進(jìn)行加權平均得到管道中氣體的平均流速。
表4和表5是氣體超聲波流量計在閥門(mén)1節流、閥門(mén)1全開(kāi)測得的氣體流態(tài)在管道中的分布情況。
從圖3、表4和表5可以看出，當閥門(mén)1節流時(shí)，隨著(zhù)流量的增大，天然氣在管道中的流速分布越來(lái)越不均勻，反應在超聲波A、D聲道的流速大于B、C通道的流速。隨著(zhù)流量的增大管道內氣體的流速由分布逐漸變成分布，即沿管壁的氣體流速由低于管道中心氣體流速變成高于管道中心氣體流速。當上游閥門(mén)全開(kāi)的時(shí)候，沒(méi)有對氣流產(chǎn)生阻擋，隨著(zhù)流量的增大，管道內氣體的流速分布變化不大，始終保持分布，符合標準規定的流態(tài)。因為當天然氣經(jīng)過(guò)沒(méi)有完全開(kāi)啟的閘閥時(shí)，天然氣由于閥門(mén)閘板的阻擋產(chǎn)生與管道中心軸不對稱(chēng)的旋轉氣流，經(jīng)過(guò)發(fā)展成為漩渦流。
2.3氣質(zhì)對氣體超聲波流量計的影響
氣體超聲波流量計對于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的流量計，我們以前只是從理論上對其有一定的認識，而對它的實(shí)際工作性能并不了解。我們知道氣體超聲波流量計對氣質(zhì)條件要求不嚴格，可用于工業(yè)環(huán)境下連續測量不含大濃度懸浮粒子或氣體的大多數清潔均質(zhì)液體的流量。我們在用氣體超聲波流量計在對含有飽和水蒸汽、霧狀液滴或大量粉塵的天然氣進(jìn)行測量時(shí)應注意氣質(zhì)可能帶來(lái)的影響。
在一次使用過(guò)程中，我們發(fā)現氣體超聲波流量計的流量和標準孔板流量計的流量相比偏高。使用CUI軟件進(jìn)行氣體超聲波流量計的診斷時(shí)發(fā)現D聲道不工作，檢查后發(fā)現，D聲道被飽和天然氣中凝析出的液體淹沒(méi)了，導致?lián)Q能器不能工作正常，經(jīng)排除積存在管道中的液體后氣體超聲波流量計恢復正常工作。多聲道的氣體超聲波流量計能夠在一個(gè)聲道故障時(shí)根據其它聲道測得的流量進(jìn)行自動(dòng)補償運算，這個(gè)補償過(guò)程使流量計的流量輸出比正常時(shí)略有偏高。
天然氣中的粉塵也對氣體超聲波流量計的工作性能有影響。我們在使用氣體超聲波流量計的過(guò)程中出現過(guò)一次氣體超聲波流量計的換能器由于粉塵堆積而導致氣體超聲波流量計工作不正常的情況。原因是我們的一個(gè)上游的氣體處理廠(chǎng)開(kāi)機不正常，分子篩中的粉塵被帶入氣體超聲波流量計的工作流程中，粉塵在氣體超聲波流量計最底部的換能器和表體的結合處堆積，導致氣體超聲波流量計的工作不正常，影響流量計正常工作。
3、氣體超聲波流量計應用中應注意的問(wèn)題
氣體超聲波流量計測量天然氣流量的實(shí)驗數據表明氣體超聲波流量計的確有很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)氣體超聲波流量計在使用中應該注意以下這些問(wèn)題：
3.1正確選型
任何流量計有它自身的測量范圍，氣體超聲波流量計測量范圍很寬，一般說(shuō)來(lái)最小流量和最大流量比為1:30。氣體超聲波流量計主要是利用測量天然氣的流速來(lái)測量天然氣的流量。其理想的工作流速范圍為（2.7～27）m/s，在這個(gè)工作范圍內，氣體超聲波流量計才能保證其檢定時(shí)的準確度。天然氣的流量低于氣體超聲波流量計的流量拐點(diǎn)時(shí)，氣體超聲波流量計的準確度將降低，從而出現較大的誤差。天然氣的流速過(guò)高時(shí)會(huì )出現超聲波信號被吹跑，換能器檢測不到超聲波信號的情況，出現計量故障。所以，我們在進(jìn)行氣體超聲波流量計的選型時(shí)應該充分考慮天然氣在管道中的流速，避免出現超低限或超高限運行的情況。
選用氣體超聲波流量計作為計量裝置時(shí)還應考慮是否存在聲波干擾源，主要指能產(chǎn)生超聲波信號的各種設備，如高速度、大差壓的減壓設備和消音設備等。消音設備常常是將人們耳朵能夠聽(tīng)見(jiàn)的聲波轉換成為人耳不能聽(tīng)到的超聲波。如果消音設備的超聲波頻率或減壓設備的超高頻的噪聲與氣體超聲波流量計的工作頻率接近時(shí)將造成超聲波流量計工作不正常，甚至完全不工作，因此，我們選用、安裝氣體超聲波流量計的時(shí)候應該避開(kāi)存在對流量計產(chǎn)生影響的聲波的場(chǎng)合，亦可采取相應措施減小或消除噪聲。
3.2合理的安裝
氣體超聲波流量計上下游直管段應該滿(mǎn)足要求，標準推薦上游直管段最低為10D，下游最低為5D。對于安裝條件受測量現場(chǎng)限制的場(chǎng)合應該加裝流動(dòng)調整器。常見(jiàn)的幾種流動(dòng)調整器中，19管束式流動(dòng)調整器不適用于氣體超聲波流量計，Zanker整流板可適用于氣體超聲波流量計。
氣體超聲波流量計安裝方式應該水平安裝，此外，在天然氣含液較多的場(chǎng)合，氣體超聲波流量計及其計量管段的安裝位置不應低于其上下游管道，使得天然氣中凝析出來(lái)的液體能夠隨氣流被帶走，而不在氣體超聲波流量計處堆積，造成計量故障，對于含有大量固體粉塵的天然氣應該在氣體超聲波流量計上游直管段外加裝過(guò)濾器，否則氣體超聲波流量計會(huì )因為換能器表面沉積物的堆積出現故障。
3.3定期維護
氣體超聲波流量計使用過(guò)程中需要的維護很少，但在氣質(zhì)條件較差的計量場(chǎng)合，應定期清洗氣體超聲波流量計的換能器，檢查有無(wú)雜質(zhì)和水垢等附著(zhù)換能器表面，氣體超聲波流量計的各連接件是否泄漏，定期檢查線(xiàn)路連接是否正常，定期檢測零流量測量是否準確等。
3.4及時(shí)診斷測試
當氣體超聲波流量計突然出現流量突變時(shí)，我們可以利用與氣體超聲波流量計串聯(lián)運行的其他流量計進(jìn)行比對校核方法，弄清楚是由于儀表故障還是由于天然氣流量的確發(fā)生了變化。如沒(méi)有其他流量計作比對，我們可以用氣體超聲波流量計的診斷軟件檢查氣體超聲波流量計的各個(gè)換能器的工作參數，看是否有異常參數值。在超聲波流量計使用數量多的場(chǎng)合應該考慮購買(mǎi)便攜的外夾式超聲波流量計，以便隨時(shí)可以對固定安裝的超聲波流量計進(jìn)行校核。
在作者趙毅看來(lái)，氣體超聲波流量計作為新型的計量性能優(yōu)異的儀表，使用越來(lái)越廣泛，而且技術(shù)更新很快，只有充分掌握氣體超聲波流量計的工作原理和性能，才能更好地了解它，使用它，讓它更好地服務(wù)于我們天然氣計量。
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