浅析超声流量计在天然气计量中的应用

随着我国天然气市场的不断扩大，天然气的计量问题也变得越来越重要，精确地计量对于天然气贸易具有十分重要的影响，超声波流量计是一种新型的气体流量统计仪，测量范围大、具有准确度高、不易压损、重复性好、部件固定、适合于口径较大的气体管道测量工作，因此广泛适用于天然气长输管道的计量工作中。
　　1工作原理
　　超声流量计是一种利用声波对流管内流体流速进行测定的计量仪器，气体测量现场主要的设备是超声传感器，传感器一般被安装在管壁上，传感器与传感器之间以几何形的方式排列。目前，所使用的超神波流量计有多个不同的形式，这种形式上的差异主要是由不同的几何形排列所导致的。超声波流量计所使用的是时间差法，在具体操作中，将一对斜角超声流量计算安装早管道的一侧，而将一对换能器装在管道的另一头，这样当气体通过后，则可以同时，或是在设定的时间上获得对方的超声信号。具体操作如下：现在管道两头安装超声波流量计的转换器，转换器A与转换器B，两个转换器之间的距离假设为L，流体在管道内的声速为C，且流体自身速度为V，声波传播方向与流体在管道内的流动方向夹角为θ，声波在流体中顺流的传播时间，在流体中逆流传播时间为，则可以通过如下公式计算出气体流量：
　　
　　联立解方程（1）式和方程（2）式可得
　　
　　从式（3）求出被测气体的流速后，与超声波流量计的截面积相乘，得到的就为流体在管道中的工况流量；利用压缩因子及温度、压力信号对工况流量进行修正，从而得到标准状况下的体积流量，进行贸易计量交接。
　　2超声流量计在使用中的注意事项
　　超声波流量计在高压环境下，以及长距离输送管道的气体计量中具有明显的优势，但是由于现场环境随时可能会发生变化，因此超声波流量计必须达到 GB/T18604标准，也就是2001所颁布的《用气体超声流量计测量天然气流量》中所规定的技术标准，并且在温度、振动以及电气噪声等问题上达到厂家标准。具体需要注意情况如下：
　　2.1噪声影响
　　管路中的各种管件可能会出现共鸣的现象，或是受到空气振动的影响，而发出噪声，这些噪声对于超声波流量计会造成一定程度的影响。超声流量计的工作原理是根据声波与流体之间的速度差来判定流体的流量，因此如果噪声的频率与流量计的工作频率相同，那么流量计的接收就会收到干扰。根据文献资料记载，噪声对于流量计的影响具有重复性，并且十分明显，最高超过2%，因此，在计量管道设计过程中，应该尽可能采用那些没有弯头，没有阻流件，同时在流量计安装的过程中，应该在其下游安装一个调节阀，从而确保流体流畅的稳定性。在流量计的选择上，挑选性能较强的产品，从而增强其对噪声的抗干扰与过滤能力。
　　2.2管道配置
　　2.2.1直管段长度要求
　　我们在对流量计上下游的阻力件阀门或是汇管在测量过程中，会影响到被测介质的物理形态，比如产生漩涡或是造成气流扭曲畸变等，从而增加测量的误差率，速度分布畸变的情况越是严重，误差越是严重，因此，在安装流量计的同时，应该在其上下游增加一定长度的直管，从而起到稳定介质形态的作用，确保最终检测的准确性。从实际的效果来看，上下游直管的长度越长，流量计最终的准确性就越高。根据GB/T18604-2001标准，直管在上游的长度应该不少于 10D，而在下游的长度最短不少于5D，但是，由于管道情况较为复杂，因此，上游管道10D是无法满足实际要求的，最好能够增加到20D。如果在管道内增加整流器的话，则应该要求生产厂商提供相关的技术标准，以及施工位置和相应的直管长度标准，并且经过实验验证后，方可施工。
　　2.2.2直管段的质量要求
　　在直管段长度范围内，任何台阶或是其他形式的突出物都会导致介质流体形态的改变，从而对超声波计量产生影响。根据文献记载，在超声波流量计上下游附近如果存在0.01D的台阶，其所导致的误差最大可达0.05%。因此在直管段的组装过程中，应该选择适合的管型，限制台阶与其他突出物的数量。
　　2.3脏污堆积
　　管道内如果有脏物，会直接影响到气体流速，从而影响到计量结果，脏物一般情况下会堆积在流量计测量管内壁，或是超声波计量仪器的滩头上，这样也就意味着相对增加了测量管道的内径，从而造成最终读数过高。管壁变厚的另一大影响是会造成声波反射异常，会影响到流量计的准确度及重复性。此外，若在超声波流量计的探头上占有大量脏物堆积的话，会大大缩短超声波的传输时间，会使流量计读数造成影响，使读数偏高，造成数据不准确。造成脏物堆积的主要原因是因为气体气质不纯，杂物居多，因此必须同时利用好流量计监测软件，来加强天然气气质方面的监测力度。收集管壁内的声音数据也是及时发现管壁内脏物堆积问题的重要手段，并且定期对管壁进行清洁。
　　3检定
　　检定的目的是为了预防仪表发生故障，目前只有国家石油天然气大气流量计量站是具有检定资质的。国家站下属部分站点，其实际流量检定技术都已经达到国际标准，并且包括全国大部分天然气产品。一般将天然气超声流量计的检定分为离线实际流量检定和在线实际流量检定两种。由于受到安装条件，道路运输条件、移动标准等方面的限制和环境因素的影响，我们经常使用离线实际流量的检定作为依据。根据JJG1020-2007《超声波流量计检定规程》中规定，如果流量计自身具有自检功能，且能够进行报警，以及做好记录，则每年需对其再进行因此现场检验。实际流量的检定的周期很长，平均周期为6年。从检定操作的效果来看，其对于降低超声波流量计故障具有十分显著的作用。
　　4使用中的维护和检修
　　在使用过程中，测量的正确性受下列因素的影响，如现场安装换能器探头部位的管线震动、温度变化，管道内结垢情况的变化，以及超声波流量计电路工作点的漂移等等。这些都会直接影响着测量的正确性。因此，需要定期检查和维护超声波流量计。常规工作主要有：
　　4.1信号强度和信号良度的检查
　　信号强度（SignalStrength）是指上下游探头的信号强度；信号良度（SignalGoodness）主要表示的是上下两个传输方向上的信号峰值，根据其可判断接受信号的优良程度。如果这两个信号存在着错误，则需要检查探头的安装是否松动或者耦合剂硬化有没有失效，通常情况下，为了保证上述信号的数值的正确性，需要对探头进行重新安装。
　　4.2传输时间和传输时差的检查
　　传输时间（TotalTime）表示的为超声波平均的传输时间；传输时差（DeltaTime）用来表示的是上下游传输时间差。超声波流量计对流速的测量主要依据上述两个信号，尤其，是传输时差是否能反映流量计的工作稳定。如果这两个信号出现不稳定，则需要对安装点进行检查，并判断其设置数据是否存在问题。
　　4.3电流环模拟输出的检查
　　由于该厂的实际使用中，超声波流量计都担任的是变送器，超声波流量计的信号由DCS进行接收，然后再对其进行计量统计。所以，超声波流量计的电流环模拟输出必须是准确的。而在实际工作中，我们可以以一年为检修段，一年内，校验和修正电流环模拟输出一次，从而保证DCS的准确计量。
　　4.4定期标定和校正
　　超声波流量计在经过一段时间的运行后，应该对其进行流量进行标定，以确保其测量的准确性，标定一般采用对比法，在具体的操作中，笔者采用日本富士公司生产的富士电子便携式超声波流量计作为参照流量计，将其与被标定的流量计作比较，从而确定被标定流量计的流量。
　　5结论
　　从实践的情况来看，气体超声流量计是一种完全适用于天然气贸易的流量统计设备，其对于提升天然气计量水平具有十分显著的作用，气体超声流量计具有量程比宽、结实耐用、无压损、准确度高、维护工作量小等特点，并且不易受到安装环境，噪声以及杂物、脏物等影响，因此具有十分良好的适应性，必将在天然气流量测量领域中具有十分广泛的应用前景。