氣體超聲流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

王鳳桐（天津市河北區(qū)計(jì)量檢定所，天津，300241）

趙曉春（天津市河?xùn)|區(qū)計(jì)量檢定所，天津，300171）

張學(xué)斌（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津，300192）

氣體超聲流量計(jì)在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

王鳳桐（天津市河北區(qū)計(jì)量檢定所，天津，300241）

趙曉春（天津市河?xùn)|區(qū)計(jì)量檢定所，天津，300171）

張學(xué)斌（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津，300192）

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源和重要的化工原料，在世界各國(guó)均得到普遍重視和優(yōu)先利用，它給人類帶來(lái)了清潔的環(huán)境和高品質(zhì)的生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)在2009年全球天然氣的消費(fèi)量超過(guò)3萬(wàn)億立方米，在能源結(jié)構(gòu)中占的比例達(dá)到24%。天然氣的計(jì)量工作作為天然氣工業(yè)重要組成部分，貫穿于天然氣的開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、貿(mào)易和使用過(guò)程之中，可以說(shuō)是天然氣的科學(xué)開(kāi)發(fā)、公平貿(mào)易、合理利用的核心保障。

目前應(yīng)用于天然氣的流量計(jì)量的儀表，主要有差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)、漩渦流量計(jì)、科里奧利式流量計(jì)等。近些年隨著科技的進(jìn)步氣體超聲流量計(jì)由于準(zhǔn)確度高、量程比大、壓力損失小的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用與天然氣的流量測(cè)量之重，成為天然氣流量計(jì)量?jī)x表中最為活躍、最具潛力的部分，下面本文將從原理、特點(diǎn)、應(yīng)用等方面對(duì)其進(jìn)行介紹：

一、組成及工作原理：

1.組成：超聲流量計(jì)主要由超聲波換能器、電子轉(zhuǎn)換線路、流量顯示累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波換能器采用鑄鐵酸鉛壓電元件制作,利用壓電效應(yīng)發(fā)射和接收聲波,通過(guò)檢測(cè)流體對(duì)超聲束或超聲脈沖的影響來(lái)測(cè)量流體體積流量。

超聲流量計(jì)工作原理圖

2.超聲波流量計(jì)的原理:傳遞的聲訊號(hào)穿過(guò)管道內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)時(shí),其傳遞速度受介質(zhì)流動(dòng)速度的影響聲訊號(hào)在兩個(gè)傳感器之間的傳遞時(shí)間取決于管道內(nèi)介質(zhì)的流速。一個(gè)聲訊號(hào)通過(guò)上游的時(shí)間要比它通過(guò)下游的時(shí)間長(zhǎng)。而這個(gè)時(shí)間差值與管道內(nèi)介質(zhì)的流速成正比，如圖所示：

目前所使用的超聲流量計(jì)主要分為時(shí)差法和頻差法：

1）時(shí)差法：

管道內(nèi)氣體流速vf按以下公式可求得：

其中：分別為聲訊號(hào)通過(guò)上下游的時(shí)間，L為聲訊號(hào)通過(guò)的路徑長(zhǎng)度，X為換能器軸線方向距離。

2）頻差法:如果在兩個(gè)不同的方向上比較兩條脈沖鏈的頻率差,這個(gè)脈沖差與流體速度也成比例。

多聲道氣體超聲流量計(jì)

可知：vf=L2(f12-f21)/2X

以上兩種對(duì)流體流速的算法的理論基礎(chǔ)是相同，都與經(jīng)過(guò)流體的聲訊號(hào)速度c無(wú)關(guān)，因此，理論上可得出氣體流量為：Q=A其中D為管道直徑，vf為管道流速。

二、氣超聲流量計(jì)的主要特點(diǎn)：

1.適用于各種量程的天然氣流量測(cè)量，特別是對(duì)于大口徑、高壓力、大量程的天然氣測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)其壓力越高準(zhǔn)確度就越高。國(guó)外有些廠家能夠做到直徑達(dá)到DN1600的氣體超聲流量計(jì)，其流量能夠超過(guò)18，0000m3/h，這是一般的氣體流量計(jì)都不能實(shí)現(xiàn)的，在國(guó)外特別是對(duì)于天然氣貿(mào)易交接、輸送的大型管道和天然氣站往往都采用氣體超聲流量計(jì)。

2.氣體超聲流量計(jì)的量程比比較寬，一般都高于1：50，最高能達(dá)到1：300，能夠滿足各種條件的需要。

3.由于其內(nèi)部不存在可動(dòng)部件和阻流部件，所以其無(wú)磨損問(wèn)題，不會(huì)存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，也不會(huì)像差壓式流量計(jì)那樣引起壓力損失，可大大降低長(zhǎng)輸管道增壓費(fèi)用。

4.準(zhǔn)確度較高，近些年隨著技術(shù)的進(jìn)步，陸續(xù)出現(xiàn)了許多多聲道的天然氣超聲流量計(jì)，其準(zhǔn)確度較之早期有了很大的提高，例如，德國(guó)elster公司生產(chǎn)的5聲道的超聲流量計(jì)，在多點(diǎn)實(shí)流標(biāo)定的情況下，其準(zhǔn)確度可以達(dá)到±0.1%，重復(fù)性優(yōu)于±0.05%。這在流量計(jì)量中已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)?shù)母叨取?/p>

5.由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，超聲流量計(jì)能夠不受氣體流向影響，能以一致的準(zhǔn)確度進(jìn)行雙向流量計(jì)量，無(wú)壓力害處，無(wú)過(guò)載被破壞的激化，維修量小，主動(dòng)化水準(zhǔn)高。

三、氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用：

氣體超聲流量計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)和渦輪流量計(jì)有著較多的優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用中也應(yīng)有所注意。

首先，應(yīng)當(dāng)本著經(jīng)濟(jì)性的原則，由于超聲流量計(jì)價(jià)格較貴、應(yīng)用成本較高，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選型，不可一味追高造成不必要浪費(fèi)。

其次，在條件允許情況下，應(yīng)當(dāng)盡量選用多聲道的超聲流量計(jì)，一般來(lái)說(shuō)聲道越多計(jì)量就越為準(zhǔn)確，如下圖所示為某三聲道和四聲道氣體超聲流量計(jì)在工況流量下示值誤差曲線圖：

可見(jiàn)，流量計(jì)由三聲道增加到四聲道，其計(jì)量準(zhǔn)確度便有了一個(gè)較大的提高。

第三，對(duì)氣體超聲流量計(jì)的選擇，一般應(yīng)使其工作在最大流量的10%以上，在低于最大流量的10%的情況下，不能完全發(fā)揮其高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)。

可是說(shuō)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣體超聲流量計(jì)在近些年來(lái)取得了較大的發(fā)展，代表了現(xiàn)今氣體流量計(jì)量的最新技術(shù)，并且逐漸被國(guó)內(nèi)所認(rèn)識(shí)和接受，但是隨著今后我國(guó)天然氣工業(yè)的發(fā)展和西氣東輸?shù)戎卮箜?xiàng)目的全面投產(chǎn)，其必將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。