鄭靜

重慶氣礦計(jì)量檢測(cè)中心 重慶 400021

在天然氣計(jì)量方面，氣體流量監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)是加強(qiáng)天然氣行業(yè)能源管理、資產(chǎn)管理以及企業(yè)在物質(zhì)交換過(guò)程中的決策過(guò)程和財(cái)務(wù)結(jié)算過(guò)程中的重要基礎(chǔ)，在對(duì)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析的過(guò)程中，以及在對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的過(guò)程中，保證生產(chǎn)活動(dòng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行等方面，科學(xué)的選用流量計(jì)無(wú)疑是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的最重要的組成部分之一?？茖W(xué)的流量計(jì)必須兼顧準(zhǔn)確性、可靠性、可操作性、可維護(hù)性，自動(dòng)化和及時(shí)性。

1 超聲波氣體流量計(jì)的工作原理

超聲波是高頻率的聲波，人類(lèi)可以通過(guò)聽(tīng)覺(jué)感知到的聲波頻率范圍為（0.02-20）kHz，而超聲波的頻率在20kHz以上。超聲波流量計(jì)以測(cè)量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)間與流量的關(guān)系為原理，由換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，在管道內(nèi)向逆流和順流方向傳播，其傳播時(shí)間差與被測(cè)氣體的平均軸向流速有關(guān)，通過(guò)傳播時(shí)間差就可以得出氣體的流速，進(jìn)而計(jì)算出氣體的流量。再將壓力、溫度以及氣體組分上傳到流量計(jì)算機(jī)中進(jìn)行修正，即能得出標(biāo)況下的氣體流量（如圖1）。

圖1 超聲波流量計(jì)原理圖

當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，液體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達(dá)式

其中

θ為聲束與液體流動(dòng)方向的夾角

M 為聲束在液體的直線(xiàn)傳播次數(shù)

D 為管道內(nèi)徑

Tup 為聲束在正方向上的傳播時(shí)間

Tdown為聲束在逆方向上的傳播時(shí)間

2 安裝要求

2.1 安裝環(huán)境

超聲流量計(jì)的使用環(huán)境溫度范圍為（-25～55）℃，同時(shí)應(yīng)根據(jù)安裝點(diǎn)的環(huán)境及工作條件，對(duì)超聲流量計(jì)采取必要的隔熱、防凍及其它保護(hù)措施（如遮雨、防曬等）；流量計(jì)的安裝應(yīng)盡可能避開(kāi)振動(dòng)環(huán)境，特別要避開(kāi)可引起信號(hào)處理單元、超聲換能器等部件發(fā)生共振的環(huán)境。在安裝超聲流量計(jì)及其相關(guān)的連接導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，應(yīng)避開(kāi)可能存在較強(qiáng)電磁或電子干擾的環(huán)境，否則應(yīng)咨詢(xún)制造廠(chǎng)并采取必要的防護(hù)措施；與超聲流量計(jì)工作頻率相近的噪聲會(huì)影響超聲流量計(jì)的正常工作，如果現(xiàn)場(chǎng)條件不可改變，則應(yīng)咨詢(xún)制造廠(chǎng)進(jìn)行安裝。一般情況下應(yīng)避免直接在調(diào)節(jié)閥之后安裝超聲流量計(jì)，控制閥宜安裝在超聲流量計(jì)的下游，如在上游則應(yīng)該保證足夠遠(yuǎn)的距離。下面情形所產(chǎn)生的超聲噪聲會(huì)干擾超聲流量計(jì)的正常工作：

（1）上游有調(diào)節(jié)閥處于半開(kāi)狀態(tài)時(shí)。

（2）上游控制閥產(chǎn)生較大壓降時(shí)。

（3）調(diào)節(jié)閥即使安裝在超聲流量計(jì)的下游，也可能干擾超聲流量計(jì)正常工作。

（4）某些產(chǎn)生超聲波的低噪聲調(diào)節(jié)閥。

2.2 管道配置

2.2.1流動(dòng)方向

如果流量計(jì)具有雙向測(cè)量功能，并且也準(zhǔn)備將其運(yùn)用于這種測(cè)量場(chǎng)合，那么在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，流量計(jì)的兩端都應(yīng)視為上游，即下游的管道配置形式和相關(guān)技術(shù)要求應(yīng)與上游一致。

2.2.2管道安裝

為保證在流量計(jì)的全量程范圍內(nèi)，流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量性能滿(mǎn)足要求，且安裝條件引起的附加測(cè)量誤差不超過(guò)±0.3%，制造廠(chǎng)應(yīng)按照用戶(hù)提供的流量計(jì)預(yù)期安裝條件，推薦流量計(jì)上、下游直管段長(zhǎng)度，以及是否帶流動(dòng)調(diào)整器。

2.2.3安裝位置

（1）工作場(chǎng)所沒(méi)有過(guò)多灰塵和腐蝕性氣體；

（2）直管段長(zhǎng)度：上游側(cè)10D以上，下游側(cè)5D以上（當(dāng)流速較低時(shí)，可適當(dāng)降低直管段要求）；

（3）上游側(cè)30D以?xún)?nèi)不得有擾動(dòng)因素（如泵、閥門(mén)等）；

（4）流體必須充滿(mǎn)管道，不能含有氣泡或過(guò)量雜質(zhì)；

（5）安裝探頭的管道不應(yīng)有強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)；

（6）安裝探頭的管道周?chē)枰銐蚩臻g。

2.2.4探頭安裝方法

超聲波流量計(jì)探頭采用V法和Z法安裝

下列情況使用Z法：

（1）安裝空間有限；

（2）被測(cè)流體中含有少量雜質(zhì)；

（3）接收波較弱（比如用水泥做襯里）

2.3 表體安裝條件

超聲流量計(jì)表體安裝各廠(chǎng)家要求各不相同，一般應(yīng)保證表體水平安裝，有的還應(yīng)將表體法蘭上定位銷(xiāo)孔與上、下游直管段相應(yīng)銷(xiāo)孔對(duì)齊。安裝時(shí)應(yīng)留有足夠的檢修空間。超聲流量計(jì)的內(nèi)徑、連接法蘭及其緊鄰的上、下游直管段應(yīng)具有相同的內(nèi)徑，其偏差應(yīng)在管徑的±1%以?xún)?nèi)；超聲流量計(jì)及其緊鄰的直管段在組裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格對(duì)中，并保證其內(nèi)部流通通道的光滑、平直，不得在連接部分出現(xiàn)臺(tái)階及突入墊片等擾動(dòng)氣流的障礙；與超聲流量計(jì)匹配的直管段，其內(nèi)壁應(yīng)無(wú)銹蝕及其它機(jī)械損傷，在組裝之前，應(yīng)除去超聲流量計(jì)及其連接管內(nèi)的防銹油或沙石灰塵等附屬物；使用中也應(yīng)隨時(shí)保持介質(zhì)流通通道的干凈、光滑。對(duì)單向流測(cè)量，應(yīng)將溫度計(jì)插孔設(shè)在超聲流量計(jì)下游距法蘭端面（2～5）D之間；對(duì)雙向流進(jìn)行測(cè)量，溫度計(jì)插孔應(yīng)設(shè)在距超聲流量計(jì)法蘭端面至少3D的位置。是否安裝整流器主要取決于所選擇的超聲流量計(jì)種類(lèi)（單聲道或多聲道）及上游阻力件對(duì)流態(tài)干擾的程度。使用在線(xiàn)分析系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使所取氣樣盡可能接近超聲流量計(jì)測(cè)量處的狀態(tài)，但不可對(duì)超聲流量計(jì)入口處流態(tài)產(chǎn)生影響或造成未經(jīng)測(cè)量的旁通流，應(yīng)盡量在超聲流量計(jì)下游安裝在線(xiàn)分析系統(tǒng)。

2.4 其它安裝條件

在氣質(zhì)較臟的場(chǎng)合，可在超聲流量計(jì)的上游安裝氣體過(guò)濾器，過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)能保證在最大流量下產(chǎn)生盡可能小的壓力損失和流態(tài)改變。在使用過(guò)程中，應(yīng)監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的差壓，定期進(jìn)行污物排放和清洗，確保過(guò)濾器在良好的狀態(tài)下工作。

安裝前必須先認(rèn)真閱讀超聲流量計(jì)的說(shuō)明書(shū)或安裝手冊(cè)，并按所供提的接線(xiàn)圖連接所有電源線(xiàn)、流量、壓力和溫度信號(hào)線(xiàn)。

壓力變送器測(cè)試為表壓則需在超聲流量計(jì)計(jì)算機(jī)中輸入當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?；若測(cè)試為絕壓，則在超聲流量計(jì)計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入大氣壓值為0。流量計(jì)的電氣設(shè)備和儀表防爆等級(jí)應(yīng)符合GB3836.1《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1部分：通用要求》的規(guī)定，隔爆型電器設(shè)備和儀表應(yīng)符合GB3836.2《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第2部分：隔爆型“d”》的規(guī)定，本質(zhì)安全型電路和電器設(shè)備符合GB3836.4《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“I”》的規(guī)定，其它防爆型式的電器設(shè)備也合專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；電纜護(hù)套、橡膠、塑料和其它裸露部分應(yīng)當(dāng)耐紫外光、油脂和阻燃。

3 具體實(shí)例

某公司開(kāi)發(fā)的超聲波天然氣計(jì)量系統(tǒng)在規(guī)劃3×105m3/D LNG項(xiàng)目時(shí)，按2×104m3/D計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)配管，根據(jù)'用超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量氣體流量'的要求，超聲波氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)為10.16cm，設(shè)計(jì)為在直管10d和2-5d的流量下安裝帶收集器的流量計(jì)。為保證流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確，在選材時(shí)必須同時(shí)考慮，嚴(yán)格按照操作要求和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)選用專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家。測(cè)量管的設(shè)計(jì)應(yīng)安裝溫度和壓力傳感器，對(duì)溫度和壓力進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償，并在程序中加入summat8800計(jì)算機(jī)對(duì)管道流量進(jìn)行測(cè)量，可根據(jù)用戶(hù)個(gè)人需要設(shè)計(jì)和提供交通趨勢(shì)信息，以及壓力和溫度數(shù)據(jù)[1]。通過(guò)觸摸屏或前面板上的導(dǎo)航菜單驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際操作中，summit8008可以根據(jù)信號(hào)連接準(zhǔn)確地傳輸標(biāo)準(zhǔn)氣體流量信號(hào)。Modbus RS-485協(xié)議不僅使用方便，而且便于數(shù)據(jù)采集。

超聲測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，故可解決其它類(lèi)型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線(xiàn)路，一臺(tái)儀表可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量。各類(lèi)超聲波流量計(jì)均可管外安裝、非接觸測(cè)流，儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)，而其它類(lèi)型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價(jià)大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類(lèi)型流量計(jì)的功能價(jià)格比越優(yōu)越，是一種特別適用于大管徑流量測(cè)量?jī)x表[3]。

4 氣體超聲波流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

在測(cè)量空氣流量時(shí)，確實(shí)有許多其他類(lèi)型的超聲波流量計(jì)無(wú)法與其他流量計(jì)相比，但在實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)特別注意以下問(wèn)題。

4.1 正確選擇超聲波氣體流量計(jì)的類(lèi)型

理想流量計(jì)的特征如下：

（1）在寬的量程比內(nèi)高精度、高重復(fù)性，可忽略的截止流量。

（2）不受介質(zhì)中的固體顆粒和液體影響。

（3）不受旋渦流、不對(duì)稱(chēng)流和脈動(dòng)流影響。

（4）可忽略的壓降。

（5）對(duì)氣體組分不敏感。

（6）同等精度雙向流計(jì)量。

（7）高的壓力應(yīng)用范圍。

（8）易于安裝維護(hù)。

（9）具備自校正和自診斷功能。

任何一種流量氣體計(jì)都應(yīng)該有自己的氣體檢測(cè)應(yīng)用范圍，雖然目前超聲波流量氣體計(jì)和流量溫度計(jì)的氣體測(cè)量應(yīng)用范圍很廣，但為了保證選型的準(zhǔn)確性，必須充分考慮和盡量避免天然氣管道的流量超限或超限。在我們選擇使用超聲波儀器測(cè)量室內(nèi)氣流的最佳時(shí)間時(shí)，必須考慮這些因素。超聲波中水流量的預(yù)計(jì)設(shè)備作為對(duì)超聲波的干擾源，受到一定的環(huán)境影響，如果預(yù)計(jì)設(shè)備的實(shí)際超聲波振動(dòng)頻率或工作噪聲過(guò)高，氣體水在超聲波中的流量與設(shè)計(jì)的實(shí)際工作頻率就非常容易接近。建議貿(mào)易用流量計(jì)在選型時(shí)，將氣體超聲流量計(jì)與孔板、渦輪等其它流量計(jì)相結(jié)合，使氣體超聲流量計(jì)的先進(jìn)性能與其它儀表的可靠性相結(jié)合。

4.2 正確安裝超聲波氣體流量計(jì)

正確的安裝是保證超聲波氣體流量計(jì)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，在實(shí)際應(yīng)用中，安裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行。確保管道上下游凝結(jié)水的順利處置。一些含有粉塵顆粒的過(guò)濾器必須設(shè)計(jì)用于安裝，以避免由于轉(zhuǎn)換器表面的沉積物而導(dǎo)致測(cè)量缺陷[2]。

4.3 定期維護(hù)超聲波氣體流量計(jì)

在超聲波氣體流量計(jì)的使用過(guò)程中，必須定期檢查和清洗，應(yīng)注意保持超聲探頭清潔，當(dāng)增益值/噪聲或信噪比/信號(hào)質(zhì)量等反應(yīng)探頭清潔程度的技術(shù)指標(biāo)接近或達(dá)到界限值時(shí)，超聲流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果不準(zhǔn)確；當(dāng)表體和直管段嚴(yán)重臟污時(shí)也會(huì)影響其計(jì)量結(jié)果。

流量計(jì)探頭更換一般分為帶壓更換探頭和不帶壓更換。帶壓更換探頭具有很高的風(fēng)險(xiǎn)性，一定要有專(zhuān)業(yè)的工具及經(jīng)過(guò)廠(chǎng)家培訓(xùn)的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，否者應(yīng)咨詢(xún)廠(chǎng)家的技術(shù)人員。

4.4 及時(shí)進(jìn)行診斷試驗(yàn)

為監(jiān)控超聲波測(cè)量?jī)x的健康情況和確保其是在可接受的技術(shù)規(guī)范下運(yùn)轉(zhuǎn)的，必須執(zhí)行日常的診斷工作。這些診斷檢查的結(jié)果應(yīng)該能表明流量計(jì)原始安裝的變化或者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所出現(xiàn)的變化。檢查月度或者季度集中的單個(gè)維護(hù)記錄和報(bào)告，可以及時(shí)了解流量計(jì)的健康情況。而在使用臟氣流（夾帶油、液體或者其它污染物）的情況下，需要較高的頻率。

5 結(jié)語(yǔ)

氣體超聲流量計(jì)應(yīng)用廣泛，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、沖擊小、精度高等特點(diǎn)，在天然氣工程框架內(nèi)，人們普遍接受并逐漸成為不可替代的消費(fèi)手段。開(kāi)展天然氣項(xiàng)目，廣泛使用超聲波氣體流量計(jì)進(jìn)行與天然氣貿(mào)易有關(guān)的計(jì)量，天然氣工業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并逐漸為用戶(hù)所接受。