氣體超聲波流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用
氣體超聲波流量計(jì)是二十世紀(jì)九十年代后期才成熟起來(lái)的一種新型流量計(jì)，它具有無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)阻力件、無(wú)壓損、量程比寬、準(zhǔn)確度高、全自動(dòng)化、可測(cè)量雙向流、含液流等特點(diǎn)。近幾年在天然氣計(jì)量領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。氣體超聲波流量計(jì)作為一種新型流量計(jì)，其真正的計(jì)量性能有待于研究證實(shí)。
根據(jù)檢測(cè)的方式，氣體超聲波流量計(jì)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(jì)。其中在氣體超聲波領(lǐng)域用得*多的是傳播時(shí)間差法，即時(shí)差式氣體超聲波流量計(jì)。
1、時(shí)差式氣體超聲波流量計(jì)的工作原理
時(shí)差式氣體超聲波流量計(jì)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(cè)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(jì)的換能器Ａ和換能器Ｂ裝在管道兩側(cè)，超聲波的聲程長(zhǎng)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(cè)量與介質(zhì)的聲速無(wú)關(guān)，只與長(zhǎng)度和時(shí)間兩個(gè)參數(shù)有關(guān)。氣體超聲流量計(jì)測(cè)量原理是長(zhǎng)度與時(shí)間兩個(gè)基本量的結(jié)合，其導(dǎo)出量時(shí)間和長(zhǎng)度的溯源性好，溯源準(zhǔn)確度高，超聲波流量計(jì)能夠有很高的計(jì)量準(zhǔn)確度。并能夠以此建立流量基準(zhǔn)。
2、氣體超聲波流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量中的應(yīng)用
天然氣流量計(jì)量是一個(gè)復(fù)雜的多參數(shù)測(cè)量過(guò)程，在研究時(shí)要保證測(cè)量準(zhǔn)確性需要有相應(yīng)的流量比對(duì)裝置。在本實(shí)驗(yàn)研究中，我們將氣體超聲波流量計(jì)與一套標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)串聯(lián)運(yùn)行，使我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加有效，更有說(shuō)服力。我們選用的是美國(guó)丹尼爾公司生產(chǎn)的四聲道氣體超聲波流量計(jì)，管道內(nèi)徑是300mm，流量范圍（工作狀態(tài)下）：240～6405m3/h，其在標(biāo)準(zhǔn)狀況下*大、*小流量見(jiàn)表1。
氣體超聲波流量計(jì)在實(shí)驗(yàn)流程示意圖見(jiàn)圖2。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的計(jì)量管徑305mm，孔板內(nèi)徑130.079mm。
2.1噪聲對(duì)氣體超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度影響
GB/T18604-2001《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中提到來(lái)自被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的噪聲可能會(huì)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)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(jié)流的噪聲。我們采用氣體超聲波流量計(jì)上游閥門(mén)1節(jié)流控制流量大小時(shí)，節(jié)流的聲音隨著流量的增大而增大，氣體超聲波流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的相對(duì)誤差也逐步增大，氣體超聲波流量計(jì)的流量低于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)流量。當(dāng)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(jì)的信噪比較大且基本保持不變，氣體超聲波流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的相對(duì)誤差基本保持不變。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。
從表2和表3中可以看出，當(dāng)采用上游閥門(mén)1節(jié)流的時(shí)候，氣體超聲波流量計(jì)的信噪比明顯低于上游閥門(mén)全開(kāi)的時(shí)候。這是因?yàn)?，?dāng)氣體超聲波流量計(jì)上游閥門(mén)節(jié)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(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。
2.2流態(tài)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的影響
GB/T18604-2001《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》要求氣體超聲波流量計(jì)上游直管段*少為10D，下游直管段至少為5D，以保證進(jìn)入流量計(jì)的天然氣流態(tài)是對(duì)稱的充分發(fā)展的紊流速度分布。計(jì)量管路中的閥門(mén)、空間彎頭等阻流件會(huì)對(duì)天然氣的速度分布產(chǎn)生影響，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。圖3是氣體超聲波流量計(jì)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(jì)通過(guò)對(duì)各個(gè)聲道測(cè)得的流速進(jìn)行加權(quán)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(jì)在閥門(mén)1節(jié)流、閥門(mén)1全開(kāi)測(cè)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(dāng)閥門(mén)1節(jié)流時(shí)，隨著流量的增大，天然氣在管道中的流速分布越來(lái)越不均勻，反應(yīng)在超聲波A、D聲道的流速大于B、C通道的流速。隨著流量的增大管道內(nèi)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(dāng)上游閥門(mén)全開(kāi)的時(shí)候，沒(méi)有對(duì)氣流產(chǎn)生阻擋，隨著流量的增大，管道內(nèi)氣體的流速分布變化不大，始終保持分布，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流態(tài)。因?yàn)楫?dāng)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(duì)稱的旋轉(zhuǎn)氣流，經(jīng)過(guò)發(fā)展成為漩渦流。
2.3氣質(zhì)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的影響
氣體超聲波流量計(jì)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的流量計(jì)，我們以前只是從理論上對(duì)其有一定的認(rèn)識(shí)，而對(duì)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(jì)對(duì)氣質(zhì)條件要求不嚴(yán)格，可用于工業(yè)環(huán)境下連續(xù)測(cè)量不含大濃度懸浮粒子或氣體的大多數(shù)清潔均質(zhì)液體的流量。我們?cè)谟脷怏w超聲波流量計(jì)在對(duì)含有飽和水蒸汽、霧狀液滴或大量粉塵的天然氣進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)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(xiàn)氣體超聲波流量計(jì)的流量和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的流量相比偏高。使用CUI軟件進(jìn)行氣體超聲波流量計(jì)的診斷時(shí)發(fā)現(xiàn)D聲道不工作，檢查后發(fā)現(xiàn)，D聲道被飽和天然氣中凝析出的液體淹沒(méi)了，導(dǎo)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(jì)恢復(fù)正常工作。多聲道的氣體超聲波流量計(jì)能夠在一個(gè)聲道故障時(shí)根據(jù)其它聲道測(cè)得的流量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算，這個(gè)補(bǔ)償過(guò)程使流量計(jì)的流量輸出比正常時(shí)略有偏高。
天然氣中的粉塵也對(duì)氣體超聲波流量計(jì)的工作性能有影響。我們?cè)谑褂脷怏w超聲波流量計(jì)的過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)一次氣體超聲波流量計(jì)的換能器由于粉塵堆積而導(dǎo)致氣體超聲波流量計(jì)工作不正常的情況。原因是我們的一個(gè)上游的氣體處理廠開(kāi)機(jī)不正常，分子篩中的粉塵被帶入氣體超聲波流量計(jì)的工作流程中，粉塵在氣體超聲波流量計(jì)*底部的換能器和表體的結(jié)合處堆積，導(dǎo)致氣體超聲波流量計(jì)的工作不正常，影響流量計(jì)正常工作。
3、氣體超聲波流量計(jì)應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題
氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明氣體超聲波流量計(jì)的確有很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)氣體超聲波流量計(jì)在使用中應(yīng)該注意以下這些問(wèn)題：
3.1正確選型
任何流量計(jì)有它自身的測(cè)量范圍，氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量范圍很寬，一般說(shuō)來(lái)*小流量和*大流量比為1:30。氣體超聲波流量計(jì)主要是利用測(cè)量天然氣的流速來(lái)測(cè)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(nèi)，氣體超聲波流量計(jì)才能保證其檢定時(shí)的準(zhǔn)確度。天然氣的流量低于氣體超聲波流量計(jì)的流量拐點(diǎn)時(shí)，氣體超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度將降低，從而出現(xiàn)較大的誤差。天然氣的流速過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)超聲波信號(hào)被吹跑，換能器檢測(cè)不到超聲波信號(hào)的情況，出現(xiàn)計(jì)量故障。所以，我們?cè)谶M(jìn)行氣體超聲波流量計(jì)的選型時(shí)應(yīng)該充分考慮天然氣在管道中的流速，避免出現(xiàn)超低限或超高限運(yùn)行的情況。
選用氣體超聲波流量計(jì)作為計(jì)量裝置時(shí)還應(yīng)考慮是否存在聲波干擾源，主要指能產(chǎn)生超聲波信號(hào)的各種設(shè)備，如高速度、大差壓的減壓設(shè)備和消音設(shè)備等。消音設(shè)備常常是將人們耳朵能夠聽(tīng)見(jiàn)的聲波轉(zhuǎn)換成為人耳不能聽(tīng)到的超聲波。如果消音設(shè)備的超聲波頻率或減壓設(shè)備的超高頻的噪聲與氣體超聲波流量計(jì)的工作頻率接近時(shí)將造成超聲波流量計(jì)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(jì)的時(shí)候應(yīng)該避開(kāi)存在對(duì)流量計(jì)產(chǎn)生影響的聲波的場(chǎng)合，亦可采取相應(yīng)措施減小或消除噪聲。
3.2合理的安裝
氣體超聲波流量計(jì)上下游直管段應(yīng)該滿足要求，標(biāo)準(zhǔn)推薦上游直管段*低為10D，下游*低為5D。對(duì)于安裝條件受測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)限制的場(chǎng)合應(yīng)該加裝流動(dòng)調(diào)整器。常見(jiàn)的幾種流動(dòng)調(diào)整器中，19管束式流動(dòng)調(diào)整器不適用于氣體超聲波流量計(jì)，Zanker整流板可適用于氣體超聲波流量計(jì)。
氣體超聲波流量計(jì)安裝方式應(yīng)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(jì)及其計(jì)量管段的安裝位置不應(yīng)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(jì)處堆積，造成計(jì)量故障，對(duì)于含有大量固體粉塵的天然氣應(yīng)該在氣體超聲波流量計(jì)上游直管段外加裝過(guò)濾器，否則氣體超聲波流量計(jì)會(huì)因?yàn)閾Q能器表面沉積物的堆積出現(xiàn)故障。
3.3定期維護(hù)
氣體超聲波流量計(jì)使用過(guò)程中需要的維護(hù)很少，但在氣質(zhì)條件較差的計(jì)量場(chǎng)合，應(yīng)定期清洗氣體超聲波流量計(jì)的換能器，檢查有無(wú)雜質(zhì)和水垢等附著換能器表面，氣體超聲波流量計(jì)的各連接件是否泄漏，定期檢查線路連接是否正常，定期檢測(cè)零流量測(cè)量是否準(zhǔn)確等。
3.4及時(shí)診斷測(cè)試
當(dāng)氣體超聲波流量計(jì)突然出現(xiàn)流量突變時(shí)，我們可以利用與氣體超聲波流量計(jì)串聯(lián)運(yùn)行的其他流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)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(jì)作比對(duì)，我們可以用氣體超聲波流量計(jì)的診斷軟件檢查氣體超聲波流量計(jì)的各個(gè)換能器的工作參數(shù)，看是否有異常參數(shù)值。在超聲波流量計(jì)使用數(shù)量多的場(chǎng)合應(yīng)該考慮購(gòu)買(mǎi)便攜的外夾式超聲波流量計(jì)，以便**可以對(duì)固定安裝的超聲波流量計(jì)進(jìn)行校核。
在作者趙毅看來(lái)，氣體超聲波流量計(jì)作為新型的計(jì)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(jì)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(jì)量。
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