氣體超聲流量計在天然氣計量中的應用

王鳳桐（天津市河北區計量檢定所，天津，300241）

趙曉春（天津市河東區計量檢定所，天津，300171）

張學斌（天津市計量監督檢測科學研究院，天津，300192）

氣體超聲流量計在天然氣計量中的應用

王鳳桐（天津市河北區計量檢定所，天津，300241）

趙曉春（天津市河東區計量檢定所，天津，300171）

張學斌（天津市計量監督檢測科學研究院，天津，300192）

天然氣作為一種優質、高效、清潔的能源和重要的化工原料，在世界各國均得到普遍重視和優先利用，它給人類帶來了清潔的環境和高品質的生活。據統計在2009年全球天然氣的消費量超過3萬億立方米，在能源結構中占的比例達到24%。天然氣的計量工作作為天然氣工業重要組成部分，貫穿于天然氣的開采、運輸、儲存、貿易和使用過程之中，可以說是天然氣的科學開發、公平貿易、合理利用的核心保障。

目前應用于天然氣的流量計量的儀表，主要有差壓式流量計、容積式流量計、渦輪流量計、超聲流量計、漩渦流量計、科里奧利式流量計等。近些年隨著科技的進步氣體超聲流量計由于準確度高、量程比大、壓力損失小的特點被廣泛應用與天然氣的流量測量之重，成為天然氣流量計量儀表中最為活躍、最具潛力的部分，下面本文將從原理、特點、應用等方面對其進行介紹：

一、組成及工作原理：

1.組成：超聲流量計主要由超聲波換能器、電子轉換線路、流量顯示累積系統三部分組成。超聲波換能器采用鑄鐵酸鉛壓電元件制作,利用壓電效應發射和接收聲波,通過檢測流體對超聲束或超聲脈沖的影響來測量流體體積流量。

超聲流量計工作原理圖

2.超聲波流量計的原理:傳遞的聲訊號穿過管道內流動的介質時,其傳遞速度受介質流動速度的影響聲訊號在兩個傳感器之間的傳遞時間取決于管道內介質的流速。一個聲訊號通過上游的時間要比它通過下游的時間長。而這個時間差值與管道內介質的流速成正比，如圖所示：

目前所使用的超聲流量計主要分為時差法和頻差法：

1）時差法：

管道內氣體流速vf按以下公式可求得：

其中：分別為聲訊號通過上下游的時間，L為聲訊號通過的路徑長度，X為換能器軸線方向距離。

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

多聲道氣體超聲流量計

可知：vf=L2(f12-f21)/2X

以上兩種對流體流速的算法的理論基礎是相同，都與經過流體的聲訊號速度c無關，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、氣超聲流量計的主要特點：

1.適用于各種量程的天然氣流量測量，特別是對于大口徑、高壓力、大量程的天然氣測量，一般來說其壓力越高準確度就越高。國外有些廠家能夠做到直徑達到DN1600的氣體超聲流量計，其流量能夠超過18，0000m3/h，這是一般的氣體流量計都不能實現的，在國外特別是對于天然氣貿易交接、輸送的大型管道和天然氣站往往都采用氣體超聲流量計。

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

3.由于其內部不存在可動部件和阻流部件，所以其無磨損問題，不會存在零點漂移現象，也不會像差壓式流量計那樣引起壓力損失，可大大降低長輸管道增壓費用。

4.準確度較高，近些年隨著技術的進步，陸續出現了許多多聲道的天然氣超聲流量計，其準確度較之早期有了很大的提高，例如，德國elster公司生產的5聲道的超聲流量計，在多點實流標定的情況下，其準確度可以達到±0.1%，重復性優于±0.05%。這在流量計量中已經達到了一個相當的高度。

5.由于其結構特點決定，超聲流量計能夠不受氣體流向影響，能以一致的準確度進行雙向流量計量，無壓力害處，無過載被破壞的激化，維修量小，主動化水準高。

三、氣體超聲流量計的應用：

氣體超聲流量計相對于傳統的差壓式流量計和渦輪流量計有著較多的優點，但在應用中也應有所注意。

首先，應當本著經濟性的原則，由于超聲流量計價格較貴、應用成本較高，所以應當根據實際情況選型，不可一味追高造成不必要浪費。

其次，在條件允許情況下，應當盡量選用多聲道的超聲流量計，一般來說聲道越多計量就越為準確，如下圖所示為某三聲道和四聲道氣體超聲流量計在工況流量下示值誤差曲線圖：

可見，流量計由三聲道增加到四聲道，其計量準確度便有了一個較大的提高。

第三，對氣體超聲流量計的選擇，一般應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，不能完全發揮其高準確度的特點。

可是說，隨著科學技術的進步，氣體超聲流量計在近些年來取得了較大的發展，代表了現今氣體流量計量的最新技術，并且逐漸被國內所認識和接受，但是隨著今后我國天然氣工業的發展和西氣東輸等重大項目的全面投產，其必將會得到更加廣泛的應用。