超声波流量计在天然气计量中的应用

超声波流量计在天然气计量中的应用

【摘要】通过对超声波流量计的结构、工作原理的分析，阐述了流量计的计量精度优势和使用特点，结合现场使用的对比和使用经验，得出结论，分析了使用前景。

【关键词】超声波流量计；推广；应用

随着石油工业的飞速发展以及国际贸易的不断增多，对天然气流量测量的准确性和可靠性要求越来越高，各类贸易交接场所迫切需要能够满足大流量、高压力下天然气精确计量要求的流量计，同时随着自动化水平的不断提高，天然气管输集中调度系统（SCADA）也需要能够满足站控计算要求的高精度流量计，同时能够稳定运行，减少日常维护工作量。在此情况下我国已经开始广泛采用气体超声流量计用于天然气的贸易或计量交接。目前山东天然气管网在重要的转输站就采用了多台美国产的DANIEL3400高级超声波流量计。通过与用户的涡街流量计以及涡轮流量计进行对比，反映准确度高，效果非常好。

由于超声波流量计是一种非接触型测量仪表，同时它的测量精度主要取决于超声波的时间和速度，因此它是继孔板流量计和涡轮流量计之后的一种较理想的精度流量计。具有无压损、量程范围较宽、双向测量有相同准确度、可以测量脉动流、智能化等其它流量计所不及的优点，在发达国家得到了广泛的推广应用。本文主要从超声波流量计的结构、工作原理和现场使用效果来探讨其计量性能。

1.DANIEL高级超声波流量计的特点和技术规范

1.1高精度：精确度优于±0.5%,重复性优于±0.2%。

1.2专用于贸易交接。

1.3多通道可检测流体的多个剖面。

1.4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。

1.5精确的设计和在加工制造过程中的质量控制。

1.6声速,温度,气体运行状况的测量是相对独立的。

1.7特别适用于高压气体,一般最低工作压力为4～5 bar。

1.8常见流量计的直径, 150mm - 600mm (6”-36”)。

1.9最高压力可达ANSI #2500(约42MPa)。

注：某些普通型气体超声波流量计的技术参数。

1.9.1精度可达±1%。

1.9.2常见尺寸, 100mm - 600mm (4”-24”)。

1.9.3压力可达ANSI #2500。

1.9.4推荐流速, 最大100英尺/秒(30m/s), 最小3英尺/秒(0.9m/s), 可延伸至, 1英尺/秒(0.3m/s)。

适用范围：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、输配管网等。

2.超声波流量计的工作原理

气体超声波流量计是安装在流动气体管道上，并用超声原理测量气体流量的流量计。超声波射线和光线一样，能够反射、折射、聚焦，遵循几何光学定律，在流动气体中的相同行程内，用顺流和逆流传播的两个超声信号的时间差来确定气体的平均流速,从而测得气体流量。

工作原理分析

天然气计量中，影响流量测量准确的因素很多，比如孔板测量的准确度就与孔板的结构和加工精度等很多因素有关。而超声流量计主要是通过测量高频声脉冲传播时间得出气体的流量，属于一种速度式流量计。超声脉冲穿过管道，让声脉冲在管道内向上游和下游斜线方向传播，如果管道没有气体流动，声波将以相同速度向两个方向传播。当管道内的气体流速不为零时，沿气流方向瞬流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲将减慢。因此，对于没有气流的情况，顺流传播的时间将缩短，逆流传播的时间会增长，分别测量它们的传播时间（这两个传播时间由电子电路进行测量的），其传播时间差与气体的平均流速有关，时间差越大，则流量越大，只要精确地测出时间，就可以准确计算出流量。

气体超声流量计是一段圆管，内无任何遮挡物件，它在工作状态时，充满管道、连续流动的天然气直流通过圆管，通过气量的大、小，会对其测量的准确性有一定的影响。从上面的气体超声流量计的工作原理图和计算公式中，D、L、X 这三个量经标定后是一个准确值、一个不变量，不会对测量准确性有太大的影响，最重要是对时间的精确测量，因传播时间与气体的平均流速有关，关键是流速的测量和状态的定性问题，流速测量越准，气量的计算就越准确，计量的准确度也就提高了。但是在采输现场，管道中成份复杂多变的天然气流速是不均匀、会产生旋涡，流动压力、温度不固定等因数影响，尽管也在气体超声流量计前后安装了直管段，但也会对分布不均匀的流速测量变得不容易和难以准确，工况条件相同时，当流过管道的天然气数量增大时，充满管道的天然气受压力差的影响，

会连续不断从高压一边向低压一边流动，流速增大，惯性力越增大，分布不均匀的天然气流速增大后，充分发展的流体流动状态会有所改变，势必会向整个横截面的流速相等的趋势靠近，流速更能真实反映流体管内的平均流速，使其测量准确度有所提高，这样计算出流速和时间也更准确，体积流量的准确度也就提高了，减少计量误差。

反之，流过气体超声流量计的气量减少时，充满管道成份复杂多变的天然气流速是不均匀、会产生旋涡，流动压力、温度不固定等因数影响，未充分发展的天然气与管道轴线不平行，使整个横截面的流速分布更不均匀，其分速度的可靠性和准确性难以保证，流速未能真实反映流体管内的平均流速，使其测量准确度有所降低，这样计算的体积流量变得更难准确，使测量误差增大。

3.超声波流量计原理

工作原理。压电和超声波之间的转换关系

每个声道不通过介质流道的圆心，减少了对流态的夸大和失真。

平行的四个声道互相补偿，有效的测量流体的流速。

4.流量计算准确的关键因素

4.1流量流速测量的结果对表体几何尺寸的要求。

4.2有关流体的全部计算结果取决于对声波传输时间的测量。

4.3传输时间的测量取决电子器件的性能。

4.4有效消除旋涡和不对称流的影响。

5.现场实际应用的分析

选取了某站作为对比站。该站进站计量为一台超声波流量计DANIEL3400（准确度等级、重复性误差0.2%、4声道），来气一部分通过计量阀组调压计量后分配给用户，另一部分分输给另一个用户；共有四套孔板计量装置，从工艺上看超声波流量计与孔板流量计串联安装，可以进行对比分析。通过在单用户供气其间的对比，主要发现超声波流量计现场应用的以下特点：

5.1流量越大，两者的流量差值越小；流量越小，差值越大。

5.2当低于超声波流量计的额定最小流量时，误差增大。此时孔板流量计的准确性应比超声波的高。这一点通过后面出口的旋进漩涡流量计的对比数据可以看出，两者的一致性明显增大。但由于旋进漩涡流量计精度等级较低，误差范围还有待于验证。