气体超声波流量计

气体超声波流量计─天然气流量计量的发展趋势

应用超声波原理测量流量始于1928年，而进入实用阶段约在20世纪70年代，但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代，至今不到10年。由于气体超声波流量计具有许多传统流量计（孔板、涡轮、涡街……等）无法相比的突出优点（见表1），在天然气流量计量领域中，它犹如一颗耀眼的新星，备受国内外工程技术界的关注。2000年6月在巴西召开的“FOLMEKO2000第十届流量测量国际学术讨论会”上，重点讨论了超声波流量计，该方面的论文数占论文总数的29.4%，接近1/3；而历届讨论最多的有关差压式的论文数仅占17.6%，不再成为热点。从发展趋势来看，由于超声波流量计具有精确度高、性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点，在工程应用及国际贸易中，大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前，美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。据了解，我国也正对此进行技术谁，制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为例，经多次流量计量论证，已将气体超声波流量计作为流量计量的首选仪表。据估算，该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整个工程中重要的检测参数，初步估计，管道为DN150~1000的大中型天然气输配计量站约数百个，DN100以下的流量计量所需仪表将以万计，流量计量投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说，真是千载难逢！

表1 流量计的性能比较

二原理

1.流速测量

目前用超声波法来测气体流量，时差法几乎是唯一的选择。

其测量原理如图1所示，A、B是安装在管道上的两个换能器（Transducer）,既可发射又可接受超声波。A牌上游，B牌下游，两者轴向距离为X，声道长度为L。从A向B发出的超声波顺流向到达B所需时间：

tab=L/(C+Vmcosθ)

式中C——声速

Vm——声道上的平均流速

θ——换能器安装的倾角（声道角度）

B接受信号后，向A返回的超声波信号为逆流向，所需时间为：

tab=L/(C-Vmcosθ)

再考虑cos?=X/L，两式相减化简可得

从式（1）可知，用时差法测流体的轴向速度与声速C无关，这就大大简化了测量电路。这个方法早为人们所知，但实际应用到测量气体流量当时还有困难。近几年来由于集成电路的飞速发展，可以精确测量极其微小的时间差（达10-9~10-12s），才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL（锁向环路）、TLL（时间锁定环路）及LEFM（波前沿时间差法）等。

2.流量测量

流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V，它与上述声道L上的平均流速Vm并不相等，可用系数K予以修正，

K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re，在管道内充分发展的紊流条件下

K=1.119-0.011×logRe (2)

当流速V变化10倍时，K值将变化1%，在进行精确测量时，必须用K对流量值进行动态修正。

当管道的直管段不够长时，管内的流速分布不能形成充分发展的紊流，这将降低许多流量仪表测量的精确度。而超声波流量计可采取多声道的办法（可采用8个换能器、4个声道以测量整个截面的流速，如图（2）以减少受到的影响，帮仍可保持高达±0.5%~±1%的精确度。

三特点

时差式气体超声波流量计现已成为当今气体流量（特别是高压、大口径）计量的首选仪表，它的特点如下：

（1）适用于大口径管道测量，口径范围75~1200mm，最大口径可达1600mm；

（2）精确度一般优于±0.5%，重复性可达±0.1%；

（3）量程比很宽，可达300：1以上；

（4）所需上下游直管段较短，上游为10D，下游为3D；

（5）无可动部件，使用安全、可靠；

（6）换能器轻巧，所占空间小，安装维护方便；

（7）无压损，为节能产品，可降低输气管道增压费用；

（8）可进行双向流量测量；

（9）不测质量流量；

（10）不受涡流及横截面流速分布变化的影响；

（11）可精确测量脉动流；

（12）不受温度、压力、气体组分变化的影响；

（13）不受沉淀物、湿气的影响；

（14）可在不断流、带压状态下更换换能器；

（15）具有自检、自诊断功能；

（16）管内无阻流件，可允许清洗球自由通过管道和流量计，清洗容易。

四标定

虽然美国燃气协会的AGA9号报告认为采用超声波流量计测量天然气允许误差为±0.7%（口径小于300mm可允许±1%），按目前国外制造商的水平，不进行标定基本上都可以达到这个精确度要求。但不少天然气供应商在贸易计量时，为减少损失，仍希望通过标定来提高仪表的精确度。据Edgar估计，在DN400的管道中，输送6Mpa压力、750M3/h流量的天然气，如流量计误差为了0.7%，天然气价格

按7美元/100M3计，那么每年将少收180万美元。而标定一台口径400mm的超声流量计，每次仅需约3~4万美元，几个工作日就可回收标定费用。

标定方式可以有实流标定及干标定两种方式。

1.实流标定

实践证明，影响超声波流量精确度的因素很多，在实验室条件下进行实流标定是提高流量计精确度行之有效的方法。实流标定可采取基准法及比对法。基准法是通过基本的物理量作为流量的基准备来标定被校流量计，如Mt法；而比对法则是将一只精确度较高的流量计作为标准表，与被校仪表串联在同一管道上，在相同的流量下，比对两只流量计的差值，然后用流量系数来修正被校仪表的流量值，这种方法较基准法实施起来较为简便，但精确度低于基准法。

以上两种标定方法，在我国成都华阳天然气流量计量站均可进行。表2 3家公司的超声波流量计性能

2.干标定

实流标定较适用于DN300MM以下口径的流量计，而对于较大口径的流量计进行实流标定不仅拆装运输很繁琐，费用也过于昂贵，而且实际上未必有这么大的标定装置。鉴于过去几十年来对孔板流量计实行干标，取得了不少经验且剖有成效，而超声流量计也无法转动部件，可以借鉴孔板的干标。其方法如下。

(1)几何尺寸测定：精密测量流量计壳体内部几何尺寸，是干标法的基础；

(2)功能测试：将换能器装入主体接入电路，对流量计功能进行测试，确保其工作稳定。

(3)组态调整：测试调整声道角度和声程。

(4)零流量检测：零流量时，流量计的时差应等于零，管道口径愈大，零流量漂移应愈小。

(5)声速计算：通过计算机和相关软件，计算不同组分下气体的声速。

(6)声程标定：取两种不同压力下纯气体（如纯氮）的声程，取其平均值。