淺析超聲流量計在天然氣計量中的應(yīng)用

隨著我國天然氣市場的不斷擴(kuò)大，天然氣的計量問題也變得越來越重要，精確地計量對于天然氣貿(mào)易具有十分重要的影響，超聲波流量計是一種新型的氣體流量統(tǒng)計儀，測量范圍大、具有準(zhǔn)確度高、不易壓損、重復(fù)性好、部件固定、適合于口徑較大的氣體管道測量工作，因此廣泛適用于天然氣長輸管道的計量工作中。
　　1工作原理
　　超聲流量計是一種利用聲波對流管內(nèi)流體流速進(jìn)行測定的計量儀器，氣體測量現(xiàn)場主要的設(shè)備是超聲傳感器，傳感器一般被安裝在管壁上，傳感器與傳感器之間以幾何形的方式排列。目前，所使用的超神波流量計有多個不同的形式，這種形式上的差異主要是由不同的幾何形排列所導(dǎo)致的。超聲波流量計所使用的是時間差法，在具體操作中，將一對斜角超聲流量計算安裝早管道的一側(cè)，而將一對換能器裝在管道的另一頭，這樣當(dāng)氣體通過后，則可以同時，或是在設(shè)定的時間上獲得對方的超聲信號。具體操作如下：現(xiàn)在管道兩頭安裝超聲波流量計的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器A與轉(zhuǎn)換器B，兩個轉(zhuǎn)換器之間的距離假設(shè)為L，流體在管道內(nèi)的聲速為C，且流體自身速度為V，聲波傳播方向與流體在管道內(nèi)的流動方向夾角為θ，聲波在流體中順流的傳播時間，在流體中逆流傳播時間為，則可以通過如下公式計算出氣體流量：
　　
　　聯(lián)立解方程（1）式和方程（2）式可得
　　
　　從式（3）求出被測氣體的流速后，與超聲波流量計的截面積相乘，得到的就為流體在管道中的工況流量；利用壓縮因子及溫度、壓力信號對工況流量進(jìn)行修正，從而得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，進(jìn)行貿(mào)易計量交接。
　　2超聲流量計在使用中的注意事項
　　超聲波流量計在高壓環(huán)境下，以及長距離輸送管道的氣體計量中具有明顯的優(yōu)勢，但是由于現(xiàn)場環(huán)境隨時可能會發(fā)生變化，因此超聲波流量計必須達(dá)到 GB/T18604標(biāo)準(zhǔn)，也就是2001所頒布的《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且在溫度、振動以及電氣噪聲等問題上達(dá)到廠家標(biāo)準(zhǔn)。具體需要注意情況如下：
　　2.1噪聲影響
　　管路中的各種管件可能會出現(xiàn)共鳴的現(xiàn)象，或是受到空氣振動的影響，而發(fā)出噪聲，這些噪聲對于超聲波流量計會造成一定程度的影響。超聲流量計的工作原理是根據(jù)聲波與流體之間的速度差來判定流體的流量，因此如果噪聲的頻率與流量計的工作頻率相同，那么流量計的接收就會收到干擾。根據(jù)文獻(xiàn)資料記載，噪聲對于流量計的影響具有重復(fù)性，并且十分明顯，最高超過2%，因此，在計量管道設(shè)計過程中，應(yīng)該盡可能采用那些沒有彎頭，沒有阻流件，同時在流量計安裝的過程中，應(yīng)該在其下游安裝一個調(diào)節(jié)閥，從而確保流體流暢的穩(wěn)定性。在流量計的選擇上，挑選性能較強的產(chǎn)品，從而增強其對噪聲的抗干擾與過濾能力。
　　2.2管道配置
　　2.2.1直管段長度要求
　　我們在對流量計上下游的阻力件閥門或是匯管在測量過程中，會影響到被測介質(zhì)的物理形態(tài)，比如產(chǎn)生漩渦或是造成氣流扭曲畸變等，從而增加測量的誤差率，速度分布畸變的情況越是嚴(yán)重，誤差越是嚴(yán)重，因此，在安裝流量計的同時，應(yīng)該在其上下游增加一定長度的直管，從而起到穩(wěn)定介質(zhì)形態(tài)的作用，確保最終檢測的準(zhǔn)確性。從實際的效果來看，上下游直管的長度越長，流量計最終的準(zhǔn)確性就越高。根據(jù)GB/T18604-2001標(biāo)準(zhǔn)，直管在上游的長度應(yīng)該不少于 10D，而在下游的長度最短不少于5D，但是，由于管道情況較為復(fù)雜，因此，上游管道10D是無法滿足實際要求的，最好能夠增加到20D。如果在管道內(nèi)增加整流器的話，則應(yīng)該要求生產(chǎn)廠商提供相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及施工位置和相應(yīng)的直管長度標(biāo)準(zhǔn)，并且經(jīng)過實驗驗證后，方可施工。
　　2.2.2直管段的質(zhì)量要求
　　在直管段長度范圍內(nèi)，任何臺階或是其他形式的突出物都會導(dǎo)致介質(zhì)流體形態(tài)的改變，從而對超聲波計量產(chǎn)生影響。根據(jù)文獻(xiàn)記載，在超聲波流量計上下游附近如果存在0.01D的臺階，其所導(dǎo)致的誤差最大可達(dá)0.05%。因此在直管段的組裝過程中，應(yīng)該選擇適合的管型，限制臺階與其他突出物的數(shù)量。
　　2.3臟污堆積
　　管道內(nèi)如果有臟物，會直接影響到氣體流速，從而影響到計量結(jié)果，臟物一般情況下會堆積在流量計測量管內(nèi)壁，或是超聲波計量儀器的灘頭上，這樣也就意味著相對增加了測量管道的內(nèi)徑，從而造成最終讀數(shù)過高。管壁變厚的另一大影響是會造成聲波反射異常，會影響到流量計的準(zhǔn)確度及重復(fù)性。此外，若在超聲波流量計的探頭上占有大量臟物堆積的話，會大大縮短超聲波的傳輸時間，會使流量計讀數(shù)造成影響，使讀數(shù)偏高，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。造成臟物堆積的主要原因是因為氣體氣質(zhì)不純，雜物居多，因此必須同時利用好流量計監(jiān)測軟件，來加強天然氣氣質(zhì)方面的監(jiān)測力度。收集管壁內(nèi)的聲音數(shù)據(jù)也是及時發(fā)現(xiàn)管壁內(nèi)臟物堆積問題的重要手段，并且定期對管壁進(jìn)行清潔。
　　3檢定
　　檢定的目的是為了預(yù)防儀表發(fā)生故障，目前只有國家石油天然氣大氣流量計量站是具有檢定資質(zhì)的。國家站下屬部分站點，其實際流量檢定技術(shù)都已經(jīng)達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，并且包括全國大部分天然氣產(chǎn)品。一般將天然氣超聲流量計的檢定分為離線實際流量檢定和在線實際流量檢定兩種。由于受到安裝條件，道路運輸條件、移動標(biāo)準(zhǔn)等方面的限制和環(huán)境因素的影響，我們經(jīng)常使用離線實際流量的檢定作為依據(jù)。根據(jù)JJG1020-2007《超聲波流量計檢定規(guī)程》中規(guī)定，如果流量計自身具有自檢功能，且能夠進(jìn)行報警，以及做好記錄，則每年需對其再進(jìn)行因此現(xiàn)場檢驗。實際流量的檢定的周期很長，平均周期為6年。從檢定操作的效果來看，其對于降低超聲波流量計故障具有十分顯著的作用。
　　4使用中的維護(hù)和檢修
　　在使用過程中，測量的正確性受下列因素的影響，如現(xiàn)場安裝換能器探頭部位的管線震動、溫度變化，管道內(nèi)結(jié)垢情況的變化，以及超聲波流量計電路工作點的漂移等等。這些都會直接影響著測量的正確性。因此，需要定期檢查和維護(hù)超聲波流量計。常規(guī)工作主要有：
　　4.1信號強度和信號良度的檢查
　　信號強度（SignalStrength）是指上下游探頭的信號強度；信號良度（SignalGoodness）主要表示的是上下兩個傳輸方向上的信號峰值，根據(jù)其可判斷接受信號的優(yōu)良程度。如果這兩個信號存在著錯誤，則需要檢查探頭的安裝是否松動或者耦合劑硬化有沒有失效，通常情況下，為了保證上述信號的數(shù)值的正確性，需要對探頭進(jìn)行重新安裝。
　　4.2傳輸時間和傳輸時差的檢查
　　傳輸時間（TotalTime）表示的為超聲波平均的傳輸時間；傳輸時差（DeltaTime）用來表示的是上下游傳輸時間差。超聲波流量計對流速的測量主要依據(jù)上述兩個信號，尤其，是傳輸時差是否能反映流量計的工作穩(wěn)定。如果這兩個信號出現(xiàn)不穩(wěn)定，則需要對安裝點進(jìn)行檢查，并判斷其設(shè)置數(shù)據(jù)是否存在問題。
　　4.3電流環(huán)模擬輸出的檢查
　　由于該廠的實際使用中，超聲波流量計都擔(dān)任的是變送器，超聲波流量計的信號由DCS進(jìn)行接收，然后再對其進(jìn)行計量統(tǒng)計。所以，超聲波流量計的電流環(huán)模擬輸出必須是準(zhǔn)確的。而在實際工作中，我們可以以一年為檢修段，一年內(nèi)，校驗和修正電流環(huán)模擬輸出一次，從而保證DCS的準(zhǔn)確計量。
　　4.4定期標(biāo)定和校正
　　超聲波流量計在經(jīng)過一段時間的運行后，應(yīng)該對其進(jìn)行流量進(jìn)行標(biāo)定，以確保其測量的準(zhǔn)確性，標(biāo)定一般采用對比法，在具體的操作中，筆者采用日本富士公司生產(chǎn)的富士電子便攜式超聲波流量計作為參照流量計，將其與被標(biāo)定的流量計作比較，從而確定被標(biāo)定流量計的流量。
　　5結(jié)論
　　從實踐的情況來看，氣體超聲流量計是一種完全適用于天然氣貿(mào)易的流量統(tǒng)計設(shè)備，其對于提升天然氣計量水平具有十分顯著的作用，氣體超聲流量計具有量程比寬、結(jié)實耐用、無壓損、準(zhǔn)確度高、維護(hù)工作量小等特點，并且不易受到安裝環(huán)境，噪聲以及雜物、臟物等影響，因此具有十分良好的適應(yīng)性，必將在天然氣流量測量領(lǐng)域中具有十分廣泛的應(yīng)用前景。