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(jì)量領(lǐng)域中，流體流量的監(jiān)測與控制是各行各業(yè)加強(qiáng)物料管理、能源管理，進(jìn)行物資交接、財(cái)務(wù)結(jié)算，效益分析與評(píng)價(jià)以及決策的重要依據(jù)；也是監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保持高效、安全、平穩(wěn)運(yùn)行和改善環(huán)境的重要手段。流量計(jì)的選擇無疑成為工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，而其選型重點(diǎn)則主要集中滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性和自動(dòng)化水平的程度等方面。

為了滿足測量需求，多年來，人們根據(jù)不同的測量原理，研發(fā)出了數(shù)十種不同類型的氣體流量計(jì)，按測量原理可分為容積式、速度式、差壓式、質(zhì)量式等。各種類型的流量計(jì)原理不同，結(jié)構(gòu)也不同，既有獨(dú)到之處，但又存在相應(yīng)的局限性。為達(dá)到較好的測量效果，需要針對(duì)不同的應(yīng)用場合、不同的工作范圍，選擇不同的類型、不同型號(hào)的流量計(jì)。由于氣體超聲波流量計(jì)具有測量范圍寬、便于安裝、易維護(hù)、流量測量的影響因素少、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，使其成為天然氣貿(mào)易計(jì)量領(lǐng)域中很重要的流量儀表。隨著天然氣項(xiàng)目的不斷建設(shè)，氣體超聲波流量計(jì)用于天然氣貿(mào)易交接計(jì)量，獲得了長足的發(fā)展，并逐步為用戶接受。

1 工作原理及特點(diǎn)

時(shí)差法流量計(jì)利用2個(gè)傳感器相向收發(fā)超聲波，每個(gè)傳感器都有發(fā)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(gè)傳感器間傳播。超聲波聲脈沖在2個(gè)傳感器間的傳播時(shí)間受流體流速的影響，從上游傳感器發(fā)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(fā)向上游傳感器的聲速度由于流體逆向流動(dòng)而減慢。上游和下游傳播時(shí)間的凈時(shí)間差與流速成正比，如圖1所示。由于時(shí)差法測量系統(tǒng)沒有內(nèi)在的慣性，因而時(shí)差法流量計(jì)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(shí)差法流

量計(jì)工作原理示意

順流方向的傳播時(shí)間：

按逆流方向的傳播時(shí)間：

順流和逆流情況下超聲波傳播的時(shí)間差：

式中：c——超聲波信號(hào)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(shí)間、逆流時(shí)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(dòng)方向夾角；vl＝vcosθ。

由于vl相對(duì)c而言很小，（vl）2可忽略，因此

當(dāng)c為常數(shù)時(shí)，vl和Δt成正比，測得時(shí)間差即可求出流速，進(jìn)而求出流量大小。但時(shí)差法的比例常數(shù)與聲速有關(guān)，而聲速隨溫度變化，因而被測流體溫度變化會(huì)帶來測量誤差?，F(xiàn)在使用的時(shí)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(yīng)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(jì)量系統(tǒng)方案

在巴彥淖爾市恒泰公司3×105m3／d液化天然氣項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，流量按2×104m3／h進(jìn)行設(shè)計(jì)。

采用一臺(tái)10.16cm（4in）的氣體超聲波流量計(jì)作為計(jì)量儀表，其計(jì)量管路嚴(yán)格按照GB／T 18604—2001《用氣體超聲流量計(jì)測量天然氣流量》中有關(guān)管道配置的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)下游2～5D處（流量計(jì)本體上有1.27cm（0.5in）NPT的取壓口）。為了保證流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)選擇專業(yè)生產(chǎn)直管段和整流盤的廠家。同時(shí)，計(jì)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(bǔ)償，以使氣體的測量精度更加準(zhǔn)確。

另外，該方案中還配備了計(jì)量管路專用的流量計(jì)算機(jī)SUMMIT 8800，它具有典型用戶個(gè)性化設(shè)計(jì)的趨勢，可顯示流量趨勢、壓力和溫度檢測數(shù)據(jù)。利用菜單驅(qū)動(dòng)的觸摸屏或前板面上的導(dǎo)航器，可方便地使用其菜單結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際應(yīng)用中，SUMMIT 8800的具體信號(hào)連接方案如圖3所示?；赟UMMIT 8800，可以把天然氣流量信號(hào)通過RS－485標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議方便地傳輸?shù)紻CS，既方便了用戶使用，也使數(shù)據(jù)采集更加方便快捷。

圖2 氣體超聲波安裝要求示意

3 應(yīng)用優(yōu)勢

目前，國內(nèi)外天然氣計(jì)量流量計(jì)主要有三種類型：孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和超聲流量計(jì)。

1）孔板流量計(jì)的主要特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡單牢固、性能穩(wěn)定可靠、使用期限長、價(jià)格低廉等，整套流量計(jì)由節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀（或流量計(jì)算機(jī)）組成。但是孔板流量計(jì)輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，重復(fù)性不高；范圍度窄，壓損大，現(xiàn)場安裝條件要求高等，對(duì)整套流量計(jì)的精確度影響因素多且錯(cuò)綜復(fù)雜，因而精確度提高的難度很大。

2）渦輪流量計(jì)的特性易受介質(zhì)物性和流體流動(dòng)特性的影響，越是高精確度，其影響越敏感，例如介質(zhì)臟污、結(jié)垢使葉片及通道發(fā)生變化，流量計(jì)特性亦隨之改變；軸承磨損使特性偏移等。流體流動(dòng)特性有層流速度分布和流體脈動(dòng)等的影響，需保持儀表校驗(yàn)時(shí)的參比流動(dòng)條件，其儀表系數(shù)才會(huì)保持不變，否則需進(jìn)行相應(yīng)的修正或?qū)嵭性诰€校準(zhǔn)，以獲得現(xiàn)場實(shí)際的流量計(jì)特性。

3）與孔板、渦輪流量計(jì)相比，氣體超聲流量計(jì)主要優(yōu)勢：無阻礙物，無可動(dòng)部件，無壓損，無示值漂移現(xiàn)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(fù)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(shù)）；有強(qiáng)大的自檢測與自診斷功能；全數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)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(tǒng)聲道的超聲流量計(jì)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(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于管軸線是絕對(duì)軸對(duì)稱的，不受安裝方位、速度分布和渦流的影響；維護(hù)簡單，可帶壓更換超聲換能器，無須重新標(biāo)定；可精確測量雙向流和脈動(dòng)流。

在市場化運(yùn)作的今天，如何為業(yè)主節(jié)約成本，也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。

圖3 信號(hào)連接方案示意

4 結(jié)束語

目前該系統(tǒng)已投入現(xiàn)場使用階段，ALTOSONIC V12無移動(dòng)的零部件，沒有磨損，從而降低了對(duì)維護(hù)的需求。由于壓力損失小到可忽略，故無需額外的壓縮機(jī)。管道設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，省去了許多零部件，例如，不需要過濾器，可進(jìn)一步降低維護(hù)成本，提高流量計(jì)的可靠性。實(shí)踐證明，氣體超聲波流量計(jì)完全適用于天然氣貿(mào)易計(jì)量，可有效提高天然氣計(jì)量技術(shù)水平，值得借鑒。

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