夏壽華

(中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，成都 610213)

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淺析氣體超聲流量計與孔板流量計的性能比較

夏壽華

(中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，成都 610213)

氣體超聲流量計作為一種新型的測量儀表，已經(jīng)在氣體的貿易交接計量中得到越來越多的應用,尤其在天然氣的貿易交接計量中，氣體超聲流量計取得更快的發(fā)展，越來越多的用戶都開始以氣體超聲流量計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的孔板流量計作為天然氣貿易交接的計量儀表。它是當前國際上繼孔板、渦輪之后又一引人注目的新一代的以高壓、大流量、寬量程、抗干擾能力強等為顯著特點的新型流量計。本文就氣體超聲流量計與孔板流量計的技術性能、現(xiàn)場安裝、使用、費用等方面進行了分析和對比。

氣體超聲流量計；孔板流量計；性能比較

0 引言

過去天然氣貿易交接一直用孔板流量計作為貿易交接計量儀表，但是近年來，隨著氣體超聲流量計的出現(xiàn)，在中國目前大約有3000多臺超聲波流量計投入使用，并且原有的已經(jīng)使用孔板流量計的貿易交接場合也在逐步改造，用超聲波流量計代替孔板流量計。我國的超聲波流量計的標準 GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計測天然氣流量》，于2002年8月1日開始實施。在國外，氣體超聲波流量計已經(jīng)有近20年的使用歷史，積累了豐富的使用經(jīng)驗，并且還頒布了AGA N09的正式報告，為氣體超聲流量計的大面積推廣使用提供了有力的保障。

從近10年氣體超聲流量計的應用實踐證明，無論從計量精度上還是維護費用、日常操作上，氣體超聲流量計比孔板流量計都有很大的優(yōu)勢。國內某公司原來使用的計量儀表是孔板流量計，在新建站上使用氣體超聲流量計代替了孔板流量計，經(jīng)過使用后，用戶認為使用超氣體超聲流量計比使用孔板流量計，不但計量精度有了大幅度的提高，而且維修及維護費用大幅降低。越來越多的事實證明氣體超聲流量計已經(jīng)被流量界所認可，并已經(jīng)開始逐步取代孔板流量計，成為天然氣計量儀表的首選。本文就氣體超聲流量計和孔板流量計進行詳細的對比，主要有性能特性、現(xiàn)場安裝、使用、費用評估等4個方面。

1 性能特性比較

1.1 量程比

孔板流量計是通過節(jié)流件來完成測量的，所以其量程比通常只有3(5):1(差壓單量程)；10:1(差壓雙量程)，而氣體超聲流量計沒有任何阻流件，其量程比可達到:30:1甚至100:1。這兩個數(shù)據(jù)表明，若實現(xiàn)一種測量方案，假定其流量范圍是1～8000m3/h，那么使用氣體超聲流量計用一路工藝管線就可以實現(xiàn)，而采用孔板流量計就可能需要至少8路才可以實現(xiàn)流量的測量。

1.2 壓損

由于孔板流量計通過在管道內嵌入孔板而產(chǎn)生差壓信號，而超聲波流量計在管道內沒有阻流件，顯而易見，孔板流量計相比超聲流量計的壓損很大，而超聲波流量計幾乎沒有壓損。

1.3 準確度

孔板流量計的準確度理論上可達到1%，但是通過大量的實踐證明，由于孔板流量計抗干擾能力較差，現(xiàn)場準確度最好為2%，一般的情況下為3%。氣體超聲流量計由于它的抗干擾能力較強，準確度可達到0.5%或更高。

1.4 脈動流影響

由于孔板流量計是靠測量孔板前后的差壓信號來實現(xiàn)流量測量，脈動流會使孔板前后的差壓信號不準，所以在管道中的脈動流對孔板流量計會有一定的影響。而氣體超聲流量計只要脈動流的周期大于流量計的采樣周期，就不會受影響。

1.5 雙向流測量

孔板流量計依據(jù)一個節(jié)流元件來實現(xiàn)測量目的，而這個節(jié)流元件具有嚴格的方向性，因此孔板流量計不可以測雙向流。氣體超聲流量計只與聲波在流體中的傳播時間有關，因此它可以測雙向流。

1.6 濕氣體測量

孔板流量計不可以測濕氣體，如果被測氣體是濕氣體，那么在孔板的前端容易積液，使得上下游壓差產(chǎn)生變化，而孔板正是根據(jù)上下游的壓差來測量流量的，因此如果壓差產(chǎn)生變化，則不可能準確測量氣體的流量。氣體超聲流量計具有自檢測功能，如果氣體是濕氣體，對超聲波產(chǎn)生影響時，儀表本身可以修正，因此氣體超聲流量計可以測濕氣體。

1.7 管路清洗

孔板流量計中有阻流件，清洗球無法通過，因此孔板流量計安裝在管線上時無法清洗管路，只有拆除孔板，才可能進行清洗。氣體超聲流量計沒有任何阻流件，清洗球可以通過，因此可以在不拆除流量計的情況下清洗管路。

1.8 渦流影響

孔板流量計采用差壓法測量氣體流量，渦流直接影響孔板兩端的壓差，因此孔板流量計對渦流很敏感，要求有較長的直管段，才能滿足精度的要求。超聲波流量計因為本身具有分析渦流強度的功能，如INSTROMET、FMC公司的多聲道氣體超聲波流量計，對渦流的分析更加完全，因此通過技術手段可以消除渦流的影響。

1.9 流速分布影響

孔板流量計由于結構原理的限制，要求測量時流速分布對稱，但是氣體在管路中的流動，其流速分布是不對稱的，因此孔板流量計對流速分布不對稱非常敏感，同樣要求有較長的直管段。超聲波流量計可以修正速度分布不對稱。

2 現(xiàn)場安裝比較

2.1 直管段的要求

孔板流量計要求現(xiàn)場有較長的直管段，并且對直管段的加工精度有較高的要求。GB/T 21446對孔板流量計的上游直管段做了更高的要求，孔板典型配置的直管段上游至少30D,并加裝流動調整器，下游直管段配置為7D。氣體超聲波流量計由于對渦流及速度分布不敏感， GB/T 18604—2001要求典型的氣體超聲波流量計上游直管段為10D、下游為5D，并且對直管段的加工精度要求不如對孔板流量計的直管段加工精度高。

2.2 安裝的影響

對于孔板流量計而言，安裝的條件直接影響其計量精度，對現(xiàn)場安裝的同心度等要求很高，安裝較復雜。氣體超聲流量計對現(xiàn)場安裝的要求不高，法蘭連接，按流量計本體的流向標識進行安裝即可。

2.3 使用條件

由于孔板流量計的原理決定其現(xiàn)場使用條件必須與設計條件相符，壓力流量的適應性差，管道內的壓力突變可能會造成節(jié)流件或二次儀表的損壞，流量可過載至孔板上的允許壓差。氣體超聲波流量計對現(xiàn)場的適應性極強，對流量的波動不敏感，有較強的短時間的過載能力，但是壓力突變可能會造成超聲換能器損壞。

3 長期使用比較

3.1 準確度變化

孔板流量計由于長期使用，孔板入口邊緣磨損以及孔板彎曲變形都會降低準確度。氣體超聲流量計由于無磨損，無示值飄移，可以長期保持較高的準確度。

3.2 臟污影響

要加強地方文獻資源收集以及地方特色數(shù)字化資源建設，增加學科館員參考咨詢工作，有針對性為讀者提供專業(yè)幫助。

由于孔板流量計有節(jié)流件，長期使用時，臟物將堆積在孔板的上游，造成差壓信號不準，直接影響計量精度。氣體超聲流量計為中空管段，探頭在管道內部，臟物不易堆積，只是時間長久因為探頭臟物會影響計量準確度。

3.3 故障排除

由于孔板流量計的儀表特性取決于節(jié)流件的幾何形狀和尺寸，需要經(jīng)常檢查節(jié)流件，一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換，節(jié)流件的壽命取決于氣體流量及壓力的大小。氣體超聲流量計儀表本身具有很強的自診斷功能，一旦不在正常狀態(tài)就會報警，并自動記錄報警期間的數(shù)據(jù)，超聲探頭的使用壽命一般為8年，并可在線更換。

3.4 備件

孔板流量計由于節(jié)流件經(jīng)常磨損、變形，因此需備多套節(jié)流件。氣體超聲流量計只需備一套探頭，可替換使用。

3.5 日常維護

孔板流量計需要定期清洗孔板，并檢查節(jié)流件的幾何尺寸等參數(shù)。氣體超聲流量計則可免維護，自檢功能強大。

孔板流量計的檢定周期為一年。氣體超聲流量計的檢定周期為2年，在現(xiàn)場投入使用后進行使用中檢驗，也可以延長為6年。

4 費用比較

4.1 一次性投資費用

由于氣體超聲波流量計有量程比寬的特點，相對于孔板流量計在大管徑大流量的分輸站、門站或雙向計量中可以簡化工藝管路，調壓設備、閥門等都相應減少，大大節(jié)省了投資。

另外，由于氣體超聲流量計所要求的直管段是前10D后5D，遠遠小于孔板流量計的前30D后7D，因此占地面積大大減少。我國某站設計時，按不同的方案設計估算了投資，結論是采用氣體超聲流量計比采用孔板流量計投資節(jié)省約25%左右。

4.2 長期運行費用

流量計長期運行時，大概有以下幾方面的費用：設備維護費、標定費用、修理費以及人工費用等。

1)設備維護費

氣體超聲流量計的設備維護費遠低于孔板流量計的設備維護費。

2)標定費用

由于氣體超聲流量計的強檢周期比孔板流量計的強檢周期短，因此標定費用遠遠少于孔板流量計的標定費用。另外，孔板流量計僅為校準差壓變送器每年就花費相對較多，在加上孔板流量計需配密度計，每年一次校準密度計也要增加標定費用。

3)修理費

由于孔板流量計需要經(jīng)常更換節(jié)流件，而氣體超聲流量計一般沒有可更換部件，但是一旦超聲探頭故障，必須請廠家專業(yè)人士進行更換。因此修理費用超聲波流量計比孔板流量計要大得多。

4)人工費用

孔板流量計需要維護、切換以及經(jīng)常校準溫度、壓力、差壓變送器等操作，人工費用較多。而氣體超聲波流量計可以做到無人職守，不需維護，因此氣體超聲流量計的人工費用將遠遠小于孔板流量計。

5 結語

當然，氣體超聲流量計也有一些缺點，如安裝在一些閥門附近時，特別是安裝在閥門的下游時，當氣流速度很高時，閥門兩端有較大的壓降，一些閥門及一些所謂的低噪聲閥會產(chǎn)生大量的超聲噪音，超聲信號可能被超聲噪音所淹沒而無法分辨，氣體超聲流量計無法正常工作。另外，由于CO2會使超聲波信號衰減，因此不宜用于CO2濃度過高的混和物等。

隨著電子技術和計量技術的發(fā)展，氣體超聲流量計上述技術缺點也會逐漸的解決。氣體超聲流量計無論在技術性能還是運行費用等方面相比孔板流量計都具有無可比擬的優(yōu)越性，盡管在實際的應用中還將存在一些問題，但有理由相信隨著技術的發(fā)展及現(xiàn)場使用經(jīng)驗的不斷累積，這種新型的儀表一定會應用的更好。

[1] 蔡武昌，等.流量測量方法和儀表的選用.北京：化學工業(yè)出版社，2000

[2] 王池，等.超聲流量計.北京：中國質檢出版社，2007

[3] 黃和，等.用標準孔板流量計測量天然氣流量.北京：石油工業(yè)出版社，2004

[4] Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters.AGA NO 9報告

[5] 厲玉鳴，等 化工儀表及自動化 北京：化學工業(yè)出版社，2011

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.26