天然气计量技术—气体超声波流量计

计量特性
• 工作原理简单； • 测量准确度高，量程比大，一般都是1：20，可达到1：100； • 适应性强，上游直管段最好25~30D ，下游直管段最好10D
(加流动调节器，上游最短10D ，下游5D ，加上表体约 20D)； • 无可动部件，可直接进行清管作业； • 受压力变化影响较小； • 为高科技产品，各厂家的产品都有其独特的专利技术，一 次性投资高； • 多声道，尤其是四声道和五声道流量计能适用多种流态；
• 时间直通式测量原理本身具有较高的精准度， 不受表体内部光滑程度或污垢的影响。
• 对流体剖面特性及流场,流态的检测,并采用 精确的数学模型进行补偿
如何确保超声波流量计的精度
• 电子时钟的稳定性 • 连续测量与流体状态相关的声波脉冲 • 对电子元件和传感器引起的信号滞后给予恰
当的补偿
多通道流量计算
图1 工作原理图
超声波流量计探头
衬垫 材料
导电 体
壳体
压电晶体 Disk
耦合 层
24V 输入
120 KHz 输入 120 KHz 输出
电压输出
图2 超声探头工作原理图
时间直通式原理的技术特点
– 声波由一个探头发射另一个接收，不经管壁反 射
– 声波由上游向下游传输的时间(由于声波被气流 推动)小于声波由下游向上游传输的时间(声波被 气流反向阻挡)
结构——探头的特点
可以使用以下工具在线带压拆卸并更换 超声波探头
计量特性
• 专用于贸易交接 • 高精度：精度优于 +/-0.5%,
重复性优于+/-0.2% • 多通道可检测流体的多个剖面 • 多通道提供了必要的冗余能力，独特的声道
替补技术使流量计在某一声道故障的情况下， 仍能基本正常工作
• 精确的设计和在加工制造过程中的质量控制
应用场合
普通气体超声波流量计 • 非贸易交接的场合 • 比对 • 储气罐的测量 • 海洋天然气的计量 • 原料天然气的测量
如何确保超声波流量计的精度
• 精确的几何加工尺寸和精密的传感器定位
• 仪表的整体化技术贯穿于设计的全部过程中， 整体铸造钢制表体，减少焊缝接口，有效减 少表体热胀冷缩对计量的影响
几何权重因子
权重因子仅取决于探头的几何分布情况!
A B C D
多通道流量计
Wa= 0.1382 Wb= 0.3618 Wc= 0.3618 Wd= 0.1382
流速测量
流量与流体的流速和截面积有关
流量=流速*截面积
q V • A
式中：q——流体在管道中的工况流量； A——管道横截面积。
由此可见，超声流量计的测量精度取决于声道长度L和时 间测量准确度。
流量计算的步骤
• 测量每个通道的声波传输时间 • 计算每个通道的速度 • 计算平均速度 • 流速乘以截面积
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多通道流量计算
电子单元的计算功能
• 计算工况流量 • 可以直接接入温度和压力信号，进行温压补偿运
算，即不使用流量计算机获得标况流量 • 输入天然气组份，密度，由此可以推算出气体的
压缩因子及热值。 • 按AGA 8号报告等计算压缩因子 • 雷诺数的计算
结构—四声道流量计
结构—五声道流量计
结构—五声道流量计
结构——外夹式流量计
Controlotron 采用单反射 技术生产了 外夹式超声 流量计，不 确定度为 1.0 ~2.0 % 。
结构——探头的特点
1，高频率，低功耗， 低电压工作，高效， 安全
2，灵敏度高 3，可以在线带压更
换，更换电缆不影 响工作及精度 4，适用广泛 5， 结构紧凑，插入 表体浅，不易受污 垢影响，寿命长
–常用来矫正流态剖面对流量测量的影响 • 流态的矫正
–常用在单通道或双通道流量计中
谢谢
• Controlotron，采用单反射技术，可根据需要增加 声道。时间可准确到10-12秒，比其他公司小10-3。 是唯一一家生产管径小于DN100和外夹式超声流量 计的厂家。
• Kongsberg, 是采用直射技术，最多为六声道。
应用场合
高级超声波气体流量计 • 长输管线 • 集气系统 • 海洋天然气 • 压气站 • 气体处理工厂 • 高压管线 • 输配管网
0.242
LOG (0.2703 WR D
0.835 Re 0.8
CF = 矫正系数
WR =管壁粗糙度
Re = 雷诺数
超声波流量计结构
根据换能器多少，目前气体超声流量计 有一至六声道流量计；根据超声波在管壁上 的反射情况，又可分为直射、单反射和双反 射三种。
结构—单声道流量计
一般都采 用单反射 技术，计 量不确定 度为: 1.0~2.0%。
结构—三声道流量计
结构—四声道和五声道流量计
四声道流量计： Daniel 采用的是直射技 术，不确定度为0.5%左右。
五声道流量计：目前只有Instromet公司 推出此产品，有三个声道采用单反射技 术，两个声道采用旋转方向相反的双反 射技术，对旋涡流的流量测量准确度较 高，不确定度为0.5%左右。
厂家简介
目前生产超声流量计的厂家有荷兰的Instromet， 美国的Daniel和Controlotron及挪威的Kongsberg等。 各个厂都有其特别的技术。
• Instromet， 对超声流量计有较系统的研究，有单 声道、双声声道、三和五声道流量计，采用单反射 和双反射技术。
• Daniel，有双声道和四声道两种，大部分是直射技 术。
计量特性
• 声速,温度,气体运行状况的测量是相对独立 的
• 特别适用于高压气体,一般最低工作压力为 4～5 bar
• 常见流量计的直径, 150mm - 600mm (6”-36”) • 最高压力可达ANSI #2500(约42MPa)
标准化
在标准化过程中，气体超声流量计算是 比较快的。目前有AGA9号报告，ISO/TR 12765，ISO/WD 17089，我国参照AGA9号 报告编写的国标GB/T 18604，2002年发布实 施。
X
Flow
D
传输时间 .007
.003
高级超声波流量计流量方程
任意一对传感器
L t1 =
c - v(x/L)
L t2 =
c + v(x/L)
或
t1
C
L
V cos
t2
C
L
V cos
X
Flow
D
流量方程
流量从上述方程中求出
v
=
L2 (t1-t2) 2x t1t2
c=
L (t1+t2) 2 t1t2
天然气计量技术讲座
气体超声流量计
丹尼尔超声波流量计的发展历史
• 八十年代初期, 英国煤气公司开始研发四通道的超 声波流量计
• 1986: 英国煤气公司授权Daniel公司作为唯一的开 发商,进一步开发该类型流量计的工业领域的应用
• 1989: 第一台模拟电路超声波流量计顺利出厂,在英 国开始销售并用于商业计量
• 1993: DANIEL公司采样自动增益控制和数字信号 处理技术改善了流量计的电子单元,提高了信号的 保真度和流量计的精度
• 1994: DANIEL引入防爆的Mark II电子处理装置
丹尼尔超声波流量计的发展历史
• 1998: DANIEL开发出可在线拆装的超声波探头器 并可提供在线带压拆装工具
结构—单声道流量计
结构—双声道流量计
Daniel 采用的是直射技术； Instromet采用的是双反射技术； Controlotron采用的是单反射技术。
双声到气体超声流量计不确定度为1.0~1.5% 。
结构—双声道流量计
结构—双声道流量计
结构—三声道流量计
Instromet采用 的是一个单 反射和两个 双反射技术， Controlotron 采用单反射 技术，不确 定度为 0.7 ~1.0% 。
反射型超声波流量计流量方程
L Tup =
c - v(x/L)
L Tdn =
c + v(x/L)
X
Flow L/2
D L/2
单声道超声波流量计的计算
单通道流量计
v L2 (t1 t2 ) 2x t1t2
c L (t1 t2 ) 2 t1t2
流态剖面流态矫正
对单通道和双通道流量计来说
CF 1
• 2000: 中油西南分公司采用7台DANIEL高级超声波 流量计用于贸易计量，向重庆和四川的大型天然气 用户供气。
• 2001：大庆油田天然气公司采用7台DANIEL 中级 超声波流量计用于储气库和内部管线计量。
超声波流量计的基本原理
用于天然气流量测量的超声流量计使用的是时间 差法。图1 为直射式超声流量计的工作原理示意图。 在管壁两边安装一对斜角为的超声换能器，两个换 能器同时或定时向对方发射和接收对方的超声信号。
– 这两个时间之差与气流的速度存在某种对于关 系
– 从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平 均速度和声波的速度
时间直通式测量原理
本安型传感器信号检测回路
脉冲发生器
接收单元 检测单元
时钟
120 kHz 超声波信号
( 大大给予调节阀的干扰频率60 kHz)
100 MHz 晶振
超声波流量计
. 传输时间 004
或 V L (1 1)
2 cos t1 t2
v = 流体速度 c = 声速
t1 = 上游传输时间 t2 = 下游传输时间 L ( X ) =上下游换能器之间的距离
超声波流量计的计算
多通道即多路流速测量!
A B C D
多通道流量计
Vn
=
L2 2x
(t1 -t2 ) (t1 t2 )
4
S Vavg = Wn Vn n=1