氣體超聲波流量計在天然氣測量中的應用

丁曉鋒

（東華工程科技股份有限公司上海分公司，上海200233）

在計量領域中，流體流量的監測與控制是各行各業加強物料管理、能源管理，進行物資交接、財務結算，效益分析與評價以及決策的重要依據；也是監控生產過程，使其保持高效、安全、平穩運行和改善環境的重要手段。流量計的選擇無疑成為工程設計中的關鍵，而其選型重點則主要集中滿足準確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面。

為了滿足測量需求，多年來，人們根據不同的測量原理，研發出了數十種不同類型的氣體流量計，按測量原理可分為容積式、速度式、差壓式、質量式等。各種類型的流量計原理不同，結構也不同，既有獨到之處，但又存在相應的局限性。為達到較好的測量效果，需要針對不同的應用場合、不同的工作范圍，選擇不同的類型、不同型號的流量計。由于氣體超聲波流量計具有測量范圍寬、便于安裝、易維護、流量測量的影響因素少、準確度高、重復性好等特點，使其成為天然氣貿易計量領域中很重要的流量儀表。隨著天然氣項目的不斷建設，氣體超聲波流量計用于天然氣貿易交接計量，獲得了長足的發展，并逐步為用戶接受。

1 工作原理及特點

時差法流量計利用2個傳感器相向收發超聲波，每個傳感器都有發射和接收的功能，超聲波聲脈沖能量通過管壁和流體以一定的已知角度在2個傳感器間傳播。超聲波聲脈沖在2個傳感器間的傳播時間受流體流速的影響，從上游傳感器發向下游傳感器的聲速度由于疊加了流體自身流速而加快，而由下游傳感器發向上游傳感器的聲速度由于流體逆向流動而減慢。上游和下游傳播時間的凈時間差與流速成正比，如圖1所示。由于時差法測量系統沒有內在的慣性，因而時差法流量計具有很高的靈敏度，可以測量非常低的流速和流量。

圖1 氣體超聲波流量時差法流

量計工作原理示意

順流方向的傳播時間：

按逆流方向的傳播時間：

順流和逆流情況下超聲波傳播的時間差：

式中：c——超聲波信號在被測流體中的聲速；L——超聲波行走路徑長度；t＋，t－——超聲波順流時間、逆流時間；v——聲道上的平均流速；θ——超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角；vl＝vcosθ。

由于vl相對c而言很小，（vl）2可忽略，因此

當c為常數時，vl和Δt成正比，測得時間差即可求出流速，進而求出流量大小。但時差法的比例常數與聲速有關，而聲速隨溫度變化，因而被測流體溫度變化會帶來測量誤差。現在使用的時差法是利用聲波在順流方向和逆流方向傳播的速度之差來反應流體的流速，從而求得流量的，故又稱速度差法。其原理是：

整理后可得：

2 計量系統方案

在巴彥淖爾市恒泰公司3×105m3／d液化天然氣項目設計中，流量按2×104m3／h進行設計。

采用一臺10.16cm（4in）的氣體超聲波流量計作為計量儀表，其計量管路嚴格按照GB／T 18604—2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中有關管道配置的要求進行設計。推薦的安裝要求如圖2所示，即前10D、后3D的直管段，并在前10D直管段前安裝整流盤，溫度儀表可以安置在流量計下游2～5D處（流量計本體上有1.27cm（0.5in）NPT的取壓口）。為了保證流量計計量的準確性，應選擇專業生產直管段和整流盤的廠家。同時，計量管路上還配套安裝了溫度和壓力檢測變送器作為溫壓補償，以使氣體的測量精度更加準確。

另外，該方案中還配備了計量管路專用的流量計算機SUMMIT 8800，它具有典型用戶個性化設計的趨勢，可顯示流量趨勢、壓力和溫度檢測數據。利用菜單驅動的觸摸屏或前板面上的導航器，可方便地使用其菜單結構。

在實際應用中，SUMMIT 8800的具體信號連接方案如圖3所示。基于SUMMIT 8800，可以把天然氣流量信號通過RS－485標準Modbus協議方便地傳輸到DCS，既方便了用戶使用，也使數據采集更加方便快捷。

圖2 氣體超聲波安裝要求示意

3 應用優勢

目前，國內外天然氣計量流量計主要有三種類型：孔板流量計、渦輪流量計和超聲流量計。

1）孔板流量計的主要特點：結構易于復制、簡單牢固、性能穩定可靠、使用期限長、價格低廉等，整套流量計由節流裝置、差壓變送器和流量顯示儀（或流量計算機）組成。但是孔板流量計輸出信號為模擬信號，重復性不高；范圍度窄，壓損大，現場安裝條件要求高等，對整套流量計的精確度影響因素多且錯綜復雜，因而精確度提高的難度很大。

2）渦輪流量計的特性易受介質物性和流體流動特性的影響，越是高精確度，其影響越敏感，例如介質臟污、結垢使葉片及通道發生變化，流量計特性亦隨之改變；軸承磨損使特性偏移等。流體流動特性有層流速度分布和流體脈動等的影響，需保持儀表校驗時的參比流動條件，其儀表系數才會保持不變，否則需進行相應的修正或實行在線校準，以獲得現場實際的流量計特性。

3）與孔板、渦輪流量計相比，氣體超聲流量計主要優勢：無阻礙物，無可動部件，無壓損，無示值漂移現象；范圍度寬（40∶1～200∶1）；不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響；不受氣體中固體顆粒和液滴的影響；重復性好，精確度高，線性好（采用了分布合理的多反射并將聲程加長的專利技術）；有強大的自檢測與自診斷功能；全數字式計量系統，易于實現數字通信；超聲傳感器表壓可正常工作在0.1～15MPa；采用單反射和雙反射，與普通傳統聲道的超聲流量計相比聲道長度增大了6倍，使測量誤差減少50%以上；專利的聲道布置合理，可形成密閉的超聲層析網絡，相對于管軸線是絕對軸對稱的，不受安裝方位、速度分布和渦流的影響；維護簡單，可帶壓更換超聲換能器，無須重新標定；可精確測量雙向流和脈動流。

在市場化運作的今天，如何為業主節約成本，也是設計時需要考慮的重要因素。

圖3 信號連接方案示意

4 結束語

目前該系統已投入現場使用階段，ALTOSONIC V12無移動的零部件，沒有磨損，從而降低了對維護的需求。由于壓力損失小到可忽略，故無需額外的壓縮機。管道設計相當簡單，省去了許多零部件，例如，不需要過濾器，可進一步降低維護成本，提高流量計的可靠性。實踐證明，氣體超聲波流量計完全適用于天然氣貿易計量，可有效提高天然氣計量技術水平，值得借鑒。

［1］郝長富，韓潔.超聲波流量計在天然氣貿易結算的應用［J］.煤氣與熱力，2010，30（08）：31－33.

［2］LYNNWORTH L C，LIU Yi.Ultrasonic Flowmeters：Half－Century Progress Report，1955—2005［J］.Science Direct，2006（44）：1371－1378.

［3］毛新業.氣體超聲波流量計——天然氣流量計量的發展趨勢［J］.世界儀表與自動化，2001，5（07）：50－52.

［4］閆向宏.超聲波流量計的現狀與展望［J］.油氣儲運，1998，17（08）：51－53.

［5］鄭開銀，蔣大旭.試論氣體流量計今后的發展方向［J］.工業計量，2002（增刊1）：44－46.

［6］易兵，張發興.超聲波流量測量技術及發展［J］.測試技術學報，1995，9（01）：14－18.

［7］張濤，陳文柳，單君.城市天然氣貿易計量流量計的選型建議［J］.城市燃氣，2005（12）：13－22.

［8］中國寰球化學工程公司，中國五環化學工程公司.HG／T 20507—2000自動化儀表選型規定［S］.北京：全國化工工程建設標準編輯中心，2000.

［9］陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊［M］.3版.北京：化學工業出版社，2000.

［10］中國石化工程建設公司.SH 3059—2001石油化工管道設計器材選用通則［S］.北京：中國石化工程建設公司，2002.