气体超声波流量计

概述

　　近年来，随着科学技术的发展，尤其是计算机应用技术的飞速发展，气体超声波流量计已逐步进入天然气计量领域。气体超声波流量计计量精度高、无压损、无磨损部件、使用寿命长、量程范围宽、可双向测量和可测脉动流。与其他类型流量计相比，气体超声波流量计显然有着更多更好的性能特性，自投放市场以来，受到用户的广泛好评。目前国内建设的各类天然气管道的贸易计量，大都选用气体超声波流量计，例如西气东输管道的流量计就是气体超声波流量计。

工作原理

　　气体超声波流量计采用时差式测量原理：一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量值Q。

气体超声波流量计原理图

特点

　　1.直接测得质量流量，无须进行温度、压力补偿。

　　2.精度高，反应速度快，测量范围比大（1000：1）。

　　3.无可动件，几乎无压损，尤其适于大管径低流速气体测量。

　　4.现场显示瞬时、累积流量，信号输出，上（下）限报警等。

　　5.无须打开表盖对累积量清零。

　　6.带整流装置，可极大地降低对前后直管段的要求。

　　7.带不断流装置可在线拆装，无须切断管道流量。

缺陷

　　气体超声波流量计在使用过程中，常常会遇到一些问题，如流量计的超声波探头频频报警，有时还会出现无流量记录的情况；标定合格的同型号超声波流量计计量误差超标等。

　　分析发现，超声波探头频频报警和出现无流量记录的问题，一是由于介质中的液态水附着在流量计内壁且遮盖了超声波流量计探头，造成超声波在进出液态水表面时发生折射，传感器无法有效回收超声波信号；二是由于天然气中夹带的固体杂质在流量计表体内壁沉积，影响到超声波的反射路径和发射效果。而标定合格的同型号超声波流量计计量误差超标这一问题，主要是由安装精度和现场工艺设备产生的噪音引起的。

　　从天然气生产工艺可知，天然气的脱油、脱水和脱机械杂质工作均在天然气处理厂完成，目前的天然气处理工艺及技术已经非常先进和完善，处理后的天然气水露点和烃露点均能满足管输要求。但从国内一些天然气管道的运行情况来看，在投产运行初期，管道内往往会出现积水现象，这些管内积水主要来源于残存的试压水和管道内的湿空气遇冷会析出冷凝水。

　　（1）残存的试压水天然气管道施工中一般采用分段打压，分段通球清管，碰死口的方法完成全线的连接。规范规定了在分段试压过程中，可以采用空气试压，也可以采用水试压。在使用水作为试压介质的管段，既使对管道进行了通球清管，若不对管道进行干燥，管道中就有可能存在部分残留水汇集在管道低洼处，形成管内积水。

　　（2）管道内的湿空气遇冷会析出冷凝水按《输气管道工程设计规范》GB5O251-2003规定，天然气输气管道试压、清管结束后宜进行干燥，若不进行干燥，管道内就充满了湿空气。管道投产置换时若采用氮气置换，温度很低的氮气与管道内的湿空气接触混合后，就会在管内壁上形成冷凝水，而形成管道内的积水。

参数

　　1.流速: 0.01~25 m/s。

　　2.分辨率: 0.025 cm/s。

　　3.重复性: 0.15%读数，视应用而定。

　　4.精度 (流场充分发展且 径向对称)体积流量: ± 1%读数,视应用而定 ± 0.5%读数，经过标定。

　　5.流速：± 0.5%读数,视应用而定。

　　6.可测介质: 管壁与气体的声阻抗比<3000。

　　7.主机环境温度：-10 ~ 60℃。

　　8.电源: (100...240) VAC (18...36)。

　　9.VDC显示: 2 x 16 字符，点阵，带背光功耗: < 15W。

　　10.信号平均:(0 ~ 100)s，可调。

　　11.测量速率:(100 ~ 1000)Hz (1通道)响应时间: 1s (1通道)，70ms可选。

　　12.测量量: 工况体积/工况质量流量，流速，标况体积/标况质量流量(需温压补偿)。

保护

　　在使用中能造成气体超声波流量计计量故障的主要因素是管内粘污物如泥污、油污、锈尘、水等，尤其是积水。为了消除管内粘污物对气体超声波流量计的影响，在站场工艺设计、施工和日常使用时应注意以下几个方面：

　　1.努力创造条件完成管道干燥。GB5025I-2003《输气管道工程设计规范》中规定的“输气管道试压、清管结束后宜进行干燥”这一条款是参考了皇家荷兰壳牌集团企业标准和国内施工经验制定的。气体超声波流量计在西欧等发达国家使用的较早，这也是他们通过实践探索而总结出的经验。目前国内对天然气长输管道进行整体干燥的不是很多，且规范中也使用“宜”字，对是否进行干燥并没有做硬性规定。以前使用孔板等类型的流量计，管道内的积水对计量影响不大，但改用气体超声波流量计后，超声波流量计对水分是相当敏感的，因此进行管道干燥是非常必要的。

　　2.分离系统的选择应考虑液态水的处理。以前站场工艺设计上多采用旋风式分离器，要求不高的场合也可使用重力式分离器，近年来也有选用过滤分离器的。在输气管道首、末站设置分离器的主要作用是除去天然气中的各种固体颗粒，现在推广使用的过滤分离器（以滤芯叶片组合式为例）即能除去各种尺寸的固体颗粒，也能100%的分离掉大于8～1Oμm的水汽。但液态水的带人会严重降低分离器的分离效果，在站场内设置分离器时，不管是旋风式，还是过滤分离式，都应考虑在分离器前加一级液态水处理装置，将从管道内带来的液态水分离掉。其分离精度不必要求太高，选择一般的重力式分离器即可。在国内选用气体超声波流量计的站场中，有的已选用两级分离这种工艺模式，效果良好。

　　3.加强操作管理，及时排出分离器的污水。分离器均设有排污管，通过人工将分离出的污水排除。但由于种种原因，很可能造成排污不及时，积液器中的污水已满，造成分离器失效，使液态水随天然气进入气体超声波流量计而导致计量故障。若要从根本上解决这个问题，消除人为因素的影响，应在分离器的污管上加装自动排污阀，以保证及时排水。此外，在投产运行初期，过滤分离器滤芯的更换频率也要适当加大。

　　4.投产置换时应保护好过滤分离器。使用过滤分离器时，管内积水或锈尘都会使过滤分离器的滤芯失效，因此在投产置换前，先将过滤分离器的滤芯抽出，待置换结束后，将过滤分离器内腔清理干净后再将滤芯装上，既保护了滤芯，又保护了气体超声波流量计。

　　5.满足气体超声波流量计的安装要求。气体超声波流量计的安装要求已在产品说明书中写明，气体超声波流量计测量的是气体流速，对流量计本体与上下游直管段安装的同心度要求很高，因此要求施工单位在安装时一定要严格执行安装规定，以达到要求的同心度。气体超声波流量计在站场中的安装位置不同于孔板流量计。使用孔板流量计时，不管是先调压后计量，还是先计量后调压，孔板流量计和调压器大都安装在同一空间，即在两个汇管之间同时安装孔板流量计和调压器。若选用气体超声波流量计，则这一安装位置将对气体超声波流量计的计量精度产生严重影响，因为气体超声波流量计对噪音很敏感，与调压器安装在同一空间，调压器产生的噪音将会使气体超声波流量计的计量失效。所以，若选用气体超声波流量计，工艺设备布置时应将其单独安装在两汇管之间的管路上，若场地狭小，需与调压器一起安装在两汇管之间的管路上时，应在流量计和调压器之间加设减噪器或减噪管。

　　6.气体超声波流量计的标定选用在线标定。气体超声波流量计的精度受安装环境的影响很大，已标定合格的气体超声波流量计安装到现场后，因其安装条件发生了变化，其计量精度也会发生变化。所以，在站场工艺设计上，应考虑设置在线标定系统，加设标定接管和阀门。需要标定时，标定单位可将标定车开到现场，将标定车上的标准表与现场的流量计串接起来即可完成流量计的标定。目前国内有标定资格的单位已有这种标定车。

　　7.选用合适类型的流量计。目前世界范围内使用的气体超声波流量计的结构类型大体分为对射式和反射式两种。这两种探头的布置形式都能满足气体贸易计量的精度要求，但适用的气体环境有所不同，应根据所输送天然气的气质情况来选用。就国内目前的天然气气质情况而言，对射式的超声波流量计较为适用。

　　8.定期对流量计进行清洗。如果天然气中夹带的固体杂质和液体附着在流量计表体内壁或传感器表面达到了一定程度，将会影响到流量计的计量精度，这就需要及时进行清洗。