超聲波流量計在天然氣計量中的幾點探討

一、超聲波流量計簡介

外夾式或者管段式超聲波流量儀表是以“速度差法”為原理，測量圓管內流量的儀表。上海自儀公司采用了先進的多脈沖技、信號數(shù)字化處理技術及糾錯技術，使流量儀表更能適應工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，計量更方便、經濟、準確。產品達到國內外先進水平，可廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領域。

1. 超聲波流量計原理

1.1 根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法( 直接時差法、時差法、相位差法和頻差法 )、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。

1.2 超聲流量計和超聲波流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。超聲波流量計采用時差式測量原理：一個探頭發(fā)射信號穿過管壁、介質、另一側管壁后，被另一個探頭接收到，同時，第二個探頭同樣發(fā)射信號被非常好個探頭接收到，由于受到介質流速的影響，二者存在時間差 Δt，根據推算可以得出流速 V和時間差 Δt 之間的換算關系 V=(C2/2L)×Δt，進而可以得到流量 Q 值。

二、超聲波流量計存在的測量缺點

超聲波流量計目前存在的缺點首先是可測流體的溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據不全。工業(yè)流量計量介質流速一般為每秒幾米，超聲波在氣相介質中的傳播速度一般情況小于 1600M/S，因此工藝介質流速與超聲波在工藝介質傳播速度之比大于 10-3，在理論推導計算時忽略此部分存在計量誤差增大。

一般計量精度要求達到 1%[2]，因此需要在處理計算時增加誤差補償實現(xiàn)削減誤差，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術迅速發(fā)展的前提下才能得到實際應用的原因。其次在氣相介質測量時由于噪聲也會引起超聲波流量計的準確精度，測量氣相介質時，超聲波流量計上下游的阻尼原件（如閥門、彎頭、變徑等）會產生除了能達到人耳頻率范圍內聲音外還能產生人耳無法聽到高頻超聲波，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。此外被測介質的顆粒大小以及雜質含量也對測量精度產生影響，特別是在天然氣凈化廠出廠后沒有達到凈化指標，造成管輸過程介質微粒體積不均衡，影響超聲波傳播和反射時間，導致延遲或提前，致使流量計工作不正常，影響超聲波流量計計量精度。

三、超聲流量計在天然氣計量中的應用

在不斷改進下，超聲流量計的應用范圍越來越廣，在水利檢測、工業(yè)生產等領域都有應用。其測量精度雖然很高，但是管道安裝復雜多樣，使其穩(wěn)定性和可靠性有所降低。除此外，在應用中還會出現(xiàn)一些使用故障，需及時進行處理。

1. 影響因素

①管道中的部件和閥門較多，容易產生噪音，噪音的頻率一旦接近超聲流量計正常工作的頻率，勢必會影響頻率的接收，訊號傳遞的時間差的精確度也將有所降低，不利于天然氣的測量。相關資料顯示，在某些環(huán)境下，噪聲對流量計的測量精確度及重復性危害很大，高達 2%。為削弱噪音產生的不利影響，在設計時，應盡量達到無障礙、無彎頭的標準；流體要想保持均勻穩(wěn)定，調節(jié)閥應盡量安裝在下游；在選擇計量計時，從優(yōu)質廠家購置，保證具備較強的過濾能力，提高脈沖的接收能力。

②在天然氣計量中，若上下游有阻力存在，會對天然氣的流動狀態(tài)造成一定程度的影響，從而使測量的誤差增大，誤差的大小和速度分布畸變的程度等因素有關。為保證天然氣處于一種正常的流動狀態(tài)，常見的做法是在上下游安裝一段直管道，且直管段越長，測量效果越是顯著。據國家相關規(guī)定，直管段應有非常低限制，如果沒有安裝整流器，上游非常短應設置為10D，下游則為 5D。此為一般情況，若條件較為復雜，上游設置 10D 是不夠的，應設置為 20D。若安裝整流器，相應的配管長度需結合實際試驗確定。

③另外，若天然氣中帶有油漬或臟水等污染物質，在超聲流量計中流動時，流量計的管內壁會粘附臟物，從而影響到測量，首先，管道內的實際空間縮小，測出來的流量會顯示偏大；其次，管內壁的粗糙度會有所增加，以致于聲音訊號在反射中散射，甚至衰減，不利于流量計的測量精確度。臟物還有可能出現(xiàn)在超聲波探頭上，減少超聲波的傳輸時間，以致于讀數(shù)和實際有誤差。為避免這些現(xiàn)象，應定期對天然氣的質量進行監(jiān)測，若有臟物應及時清理，當前多使用相關監(jiān)測軟件，來監(jiān)測計算管內壁臟的程度。

④在長期的使用中，流量計中的電子元件難免出現(xiàn)老化、性能下降等情況，從而引起計量誤差的出現(xiàn)，在維護中需對此加以重視，需專業(yè)的技術人員親自檢查，進行現(xiàn)場維修。除了關鍵部件，其他外部設備的維護也尤為重要，如壓力變送器、一體化溫度變送器等，與測量的準確度關系密切，應做好相應的檢定維護工作；外設電源系統(tǒng)對超聲流量計的運行狀態(tài)和使用壽命有很大影響，應保證其穩(wěn)定性和安全性；另外，線路出現(xiàn)問題勢必也會影響到計量的溫度、時間等，從中可知，每一個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著不可代替的作用，需加以重視，才能保證整個系統(tǒng)的完整。

2. 故障與處理

①在測量過程中，有時天然氣處于正常的流動狀態(tài)，但是流量計沒有顯示，出現(xiàn)這種狀況，可能是顯示單元損壞所致，也可能是保險絲被燒斷造成，重要接口接觸不良或不牢固也會出現(xiàn)此狀況。因此，在測量之前，應做好各項檢查工作，保證控制器的顯示沒有故障代碼，若有，應及時調整；用專業(yè)的歐姆表對接口和保險絲進行測定，有不合格者，需及時更換。

②測量中難免會出現(xiàn)誤差，但誤差應控制在非常小范圍內，若誤差偏大，則有可能是管道狀態(tài)不合標準，管內有堆積物或管內壁粘有臟物等造成。為縮減誤差，需對管道的材質、管內壁、以及管壁厚度等仔細檢查，保證符合標準；若管內壁粘附臟物或銹蝕層，內徑面積將減少，從而引起誤差，應根據具體情況進行清理，如有必要，更換管道；管道內有堆積物時，要么將其清除，要么更換到其他地點安裝；直管段應符合天然氣的均勻流態(tài)。如果還不能解決問題，應檢查流量計的調整和存在問題。

四、超聲流量計在天然氣計量實際應用案例

案例：某長輸管道輸天然氣氣站采用 DN250 的超聲流量計，進行計量后向省管網供氣，非常大工作壓力為10MPa。進站壓力為 5.4MPa，出站壓力為 2.5MPa，流量計安裝正確。投產初期，發(fā)現(xiàn)流量計計數(shù)與下游管網首站同類型超聲流量計偏差超過 10%。由于投產前用水作為試壓介質對管道進行了通球清管。試壓、清管結束后未干燥徹底，管道內殘留部分濕空氣。站內管道裸露在空氣中，且天然氣氣壓力較高，導致管道內積水結冰。通過注醇、在裸露管道上增加保溫層、清管，降低了天然氣的水露點，提高管內氣體溫度，減少了管道內積水，有效解決了冰堵，使流量計測量誤差控制在雙方商定范圍之內。

1. 實際生產應用中的注意事項

（1）使用超聲波流量計應保持超聲波探頭清潔，信噪比如果太接近界限值，計量誤差會很大，表體前后的直管段清潔程度也會影響計量結果。

（2）用于貿易結算的超聲波流量計以及相關的二次儀表，上海自儀公司應該依據相關要求按一定周期檢定。

（3）如果管道內氣體溫度太高（100℃以上），或在大口徑管道中氣體壓力極低（低于0.1MPa），流速也極低

（小于0.5mm/s）情況下，超聲波流量計不適用。

（4）多氣源混合產生的差值，可使用在線式色譜分析儀，上海自儀公司對天然氣組分含量進行監(jiān)測，并實時上傳數(shù)值，修正誤差提高檢測精度。