超聲波流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的幾點(diǎn)探討

一、超聲波流量計(jì)簡(jiǎn)介

外夾式或者管段式超聲波流量?jī)x表是以“速度差法”為原理，測(cè)量圓管內(nèi)流量的儀表。上海自儀公司采用了先進(jìn)的多脈沖技、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)及糾錯(cuò)技術(shù)，使流量?jī)x表更能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，計(jì)量更方便、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確。產(chǎn)品達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)域。

1. 超聲波流量計(jì)原理

1.1 根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法( 直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法 )、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

1.2 超聲流量計(jì)和超聲波流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無(wú)阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類(lèi)流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，它是發(fā)展迅速的一類(lèi)流量計(jì)之一。超聲波流量計(jì)采用時(shí)差式測(cè)量原理：一個(gè)探頭發(fā)射信號(hào)穿過(guò)管壁、介質(zhì)、另一側(cè)管壁后，被另一個(gè)探頭接收到，同時(shí)，第二個(gè)探頭同樣發(fā)射信號(hào)被非常好個(gè)探頭接收到，由于受到介質(zhì)流速的影響，二者存在時(shí)間差 Δt，根據(jù)推算可以得出流速 V和時(shí)間差 Δt 之間的換算關(guān)系 V=(C2/2L)×Δt，進(jìn)而可以得到流量 Q 值。

二、超聲波流量計(jì)存在的測(cè)量缺點(diǎn)

超聲波流量計(jì)目前存在的缺點(diǎn)首先是可測(cè)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(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。工業(yè)流量計(jì)量介質(zhì)流速一般為每秒幾米，超聲波在氣相介質(zhì)中的傳播速度一般情況小于 1600M/S，因此工藝介質(zhì)流速與超聲波在工藝介質(zhì)傳播速度之比大于 10-3，在理論推導(dǎo)計(jì)算時(shí)忽略此部分存在計(jì)量誤差增大。

一般計(jì)量精度要求達(dá)到 1%[2]，因此需要在處理計(jì)算時(shí)增加誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)削減誤差，這也正是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前提下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。其次在氣相介質(zhì)測(cè)量時(shí)由于噪聲也會(huì)引起超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確精度，測(cè)量氣相介質(zhì)時(shí)，超聲波流量計(jì)上下游的阻尼原件（如閥門(mén)、彎頭、變徑等）會(huì)產(chǎn)生除了能達(dá)到人耳頻率范圍內(nèi)聲音外還能產(chǎn)生人耳無(wú)法聽(tīng)到高頻超聲波，當(dāng)這種聲波的頻率與氣體超聲波流量計(jì)的工作頻率相近時(shí)氣體超聲波流量計(jì)信噪比降低，從而影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。此外被測(cè)介質(zhì)的顆粒大小以及雜質(zhì)含量也對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響，特別是在天然氣凈化廠出廠后沒(méi)有達(dá)到凈化指標(biāo)，造成管輸過(guò)程介質(zhì)微粒體積不均衡，影響超聲波傳播和反射時(shí)間，導(dǎo)致延遲或提前，致使流量計(jì)工作不正常，影響超聲波流量計(jì)計(jì)量精度。

三、超聲流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

在不斷改進(jìn)下，超聲流量計(jì)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，在水利檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有應(yīng)用。其測(cè)量精度雖然很高，但是管道安裝復(fù)雜多樣，使其穩(wěn)定性和可靠性有所降低。除此外，在應(yīng)用中還會(huì)出現(xiàn)一些使用故障，需及時(shí)進(jìn)行處理。

1. 影響因素

①管道中的部件和閥門(mén)較多，容易產(chǎn)生噪音，噪音的頻率一旦接近超聲流量計(jì)正常工作的頻率，勢(shì)必會(huì)影響頻率的接收，訊號(hào)傳遞的時(shí)間差的精確度也將有所降低，不利于天然氣的測(cè)量。相關(guān)資料顯示，在某些環(huán)境下，噪聲對(duì)流量計(jì)的測(cè)量精確度及重復(fù)性危害很大，高達(dá) 2%。為削弱噪音產(chǎn)生的不利影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量達(dá)到無(wú)障礙、無(wú)彎頭的標(biāo)準(zhǔn)；流體要想保持均勻穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡量安裝在下游；在選擇計(jì)量計(jì)時(shí)，從優(yōu)質(zhì)廠家購(gòu)置，保證具備較強(qiáng)的過(guò)濾能力，提高脈沖的接收能力。

②在天然氣計(jì)量中，若上下游有阻力存在，會(huì)對(duì)天然氣的流動(dòng)狀態(tài)造成一定程度的影響，從而使測(cè)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(guān)。為保證天然氣處于一種正常的流動(dòng)狀態(tài)，常見(jiàn)的做法是在上下游安裝一段直管道，且直管段越長(zhǎng)，測(cè)量效果越是顯著。據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，直管段應(yīng)有非常低限制，如果沒(méi)有安裝整流器，上游非常短應(yīng)設(shè)置為10D，下游則為 5D。此為一般情況，若條件較為復(fù)雜，上游設(shè)置 10D 是不夠的，應(yīng)設(shè)置為 20D。若安裝整流器，相應(yīng)的配管長(zhǎng)度需結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)確定。

③另外，若天然氣中帶有油漬或臟水等污染物質(zhì)，在超聲流量計(jì)中流動(dòng)時(shí)，流量計(jì)的管內(nèi)壁會(huì)粘附臟物，從而影響到測(cè)量，首先，管道內(nèi)的實(shí)際空間縮小，測(cè)出來(lái)的流量會(huì)顯示偏大；其次，管內(nèi)壁的粗糙度會(huì)有所增加，以致于聲音訊號(hào)在反射中散射，甚至衰減，不利于流量計(jì)的測(cè)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(shí)間，以致于讀數(shù)和實(shí)際有誤差。為避免這些現(xiàn)象，應(yīng)定期對(duì)天然氣的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若有臟物應(yīng)及時(shí)清理，當(dāng)前多使用相關(guān)監(jiān)測(cè)軟件，來(lái)監(jiān)測(cè)計(jì)算管內(nèi)壁臟的程度。

④在長(zhǎng)期的使用中，流量計(jì)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(jì)量誤差的出現(xiàn)，在維護(hù)中需對(duì)此加以重視，需專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員親自檢查，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。除了關(guān)鍵部件，其他外部設(shè)備的維護(hù)也尤為重要，如壓力變送器、一體化溫度變送器等，與測(cè)量的準(zhǔn)確度關(guān)系密切，應(yīng)做好相應(yīng)的檢定維護(hù)工作；外設(shè)電源系統(tǒng)對(duì)超聲流量計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)和使用壽命有很大影響，應(yīng)保證其穩(wěn)定性和安全性；另外，線路出現(xiàn)問(wèn)題勢(shì)必也會(huì)影響到計(jì)量的溫度、時(shí)間等，從中可知，每一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的完整。

2. 故障與處理

①在測(cè)量過(guò)程中，有時(shí)天然氣處于正常的流動(dòng)狀態(tài)，但是流量計(jì)沒(méi)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(xiǎn)絲被燒斷造成，重要接口接觸不良或不牢固也會(huì)出現(xiàn)此狀況。因此，在測(cè)量之前，應(yīng)做好各項(xiàng)檢查工作，保證控制器的顯示沒(méi)有故障代碼，若有，應(yīng)及時(shí)調(diào)整；用專(zhuān)業(yè)的歐姆表對(duì)接口和保險(xiǎn)絲進(jìn)行測(cè)定，有不合格者，需及時(shí)更換。

②測(cè)量中難免會(huì)出現(xiàn)誤差，但誤差應(yīng)控制在非常小范圍內(nèi)，若誤差偏大，則有可能是管道狀態(tài)不合標(biāo)準(zhǔn)，管內(nèi)有堆積物或管內(nèi)壁粘有臟物等造成。為縮減誤差，需對(duì)管道的材質(zhì)、管內(nèi)壁、以及管壁厚度等仔細(xì)檢查，保證符合標(biāo)準(zhǔn)；若管內(nèi)壁粘附臟物或銹蝕層，內(nèi)徑面積將減少，從而引起誤差，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行清理，如有必要，更換管道；管道內(nèi)有堆積物時(shí)，要么將其清除，要么更換到其他地點(diǎn)安裝；直管段應(yīng)符合天然氣的均勻流態(tài)。如果還不能解決問(wèn)題，應(yīng)檢查流量計(jì)的調(diào)整和存在問(wèn)題。

四、超聲流量計(jì)在天然氣計(jì)量實(shí)際應(yīng)用案例

案例：某長(zhǎng)輸管道輸天然氣氣站采用 DN250 的超聲流量計(jì)，進(jìn)行計(jì)量后向省管網(wǎng)供氣，非常大工作壓力為10MPa。進(jìn)站壓力為 5.4MPa，出站壓力為 2.5MPa，流量計(jì)安裝正確。投產(chǎn)初期，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)計(jì)數(shù)與下游管網(wǎng)首站同類(lèi)型超聲流量計(jì)偏差超過(guò) 10%。由于投產(chǎn)前用水作為試壓介質(zhì)對(duì)管道進(jìn)行了通球清管。試壓、清管結(jié)束后未干燥徹底，管道內(nèi)殘留部分濕空氣。站內(nèi)管道裸露在空氣中，且天然氣氣壓力較高，導(dǎo)致管道內(nèi)積水結(jié)冰。通過(guò)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(diǎn)，提高管內(nèi)氣體溫度，減少了管道內(nèi)積水，有效解決了冰堵，使流量計(jì)測(cè)量誤差控制在雙方商定范圍之內(nèi)。

1. 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

（1）使用超聲波流量計(jì)應(yīng)保持超聲波探頭清潔，信噪比如果太接近界限值，計(jì)量誤差會(huì)很大，表體前后的直管段清潔程度也會(huì)影響計(jì)量結(jié)果。

（2）用于貿(mào)易結(jié)算的超聲波流量計(jì)以及相關(guān)的二次儀表，上海自儀公司應(yīng)該依據(jù)相關(guān)要求按一定周期檢定。

（3）如果管道內(nèi)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(jì)不適用。

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