氣體超聲波流量計換能器性能下降對天然氣計量的影響分析

王影，劉彬，于昊，包晨龍

（中國石油西氣東輸管道公司武漢管理處，武漢430000）

1 引言

目前，我國很多城市都開展了“煤改氣”工作，因此，天然氣的使用量也有著明顯的提升。為了滿足群眾的天然氣使用需求，國家也建設了大批量的配套設施。在這種背景下，我國天然氣計量工作也面臨著巨大的壓力，各類計量設備也處于較高的工作強度下，所以很多計量設備也出現了各種各樣的問題。

在天然氣行業中，氣體超聲波流量計是常用的計量設備，其中的換能器是測量天然氣流速的關鍵部件，也是發射和接收超聲波的重要裝置，同時也是唯一與天然氣進行直接接觸的重要部件。但是，在氣體超聲波流量計工作過程中，換熱器的工作性能會發生持續下降的問題，這一問題的出現直接影響測量的精度，導致天然氣計量誤差的發生。所以，確定換能器性能下降情況，并對其進行診斷維護就成為保證測量精度的重要手段，這對于延長氣體超聲波流量計使用壽命也有著重要的意義。

2 氣體超聲波流量計工作原理

壓電晶體是超聲換能器的重要工作部件，該部件會在外界施加電廠作用的情況下，在一定方向上發生機械變形，并且這種變形會隨著電場的消失而消失。所以，在電場反復出現消失的過程中，壓電晶體會保持一定頻率的機械變形狀態，并產生相應的聲波，如果這種聲波的頻率超過了20kHz，那么就會產生超聲波。超聲波的接收和發送主要由流量計的換能器完成，流量計的CPU 板時鐘則能對超聲波從一端換能器發送至另外一端換能器的時間進行采集[1]。

直通式超聲流量計是常用的氣體超聲波流量計，由于氣流的速度與超聲波在氣流中的傳播速度有著一定的對應關系，具體為逆流時，超聲波脈沖傳播速度比順流時快，所以兩者時間差的變大就意味著流量的增加。在實際測量過程中，超聲波脈沖能夠同時由上下游換能器發出，并且由于氣流的速度與超聲波在氣流中的傳播速度有著一定的對應關系，所以兩束脈沖會在不同時間內到達換能器，進而能夠確定采集的時間，并通過時間計算出相應的氣體流速[2]。

3 導致換能器性能下降的主要影響因素

由于換能器需要與天然氣進行直接接觸，同時天然氣本身會含有少量的腐蝕性物質，所以換能器在運轉過程中會發生一定的老化、腐蝕問題，隨著時間的流逝，其工作性能就會下降，并發生測量精度下降的問題，進而造成測量誤差。通過分析換能器工作原理以及總結日常設備維護經驗，總結出導致換能器性能下降的主要影響因素有以下幾點。

3.1 高溫、高速氣體沖刷帶來的損耗

對于氣體超聲波流量計的流速測量范圍，我國已經頒布了相應的技術標準對其進行限定，其測量范圍為0.3～30m/s。在實際測量過程中發現，在供氣規模增大的情況下，氣體流速也會隨之增大，同時換能器會由于氣流流動所產生的振動而發生振動，并出現松動的問題。另外，如果沒有按照操作要求啟用計量器，管道內就會在短時間內充滿高速氣流，并伴隨著氣體溫度驟然升高的現象，此時的溫度一般都會超過換能器能夠接受的范圍，進而導致換能器發生故障[3]。

3.2 不良氣體的侵蝕

相比其他環境來說，天然氣輸送管道內的環境是相對復雜的，并且天然氣中往往會含有一定含量的游離水、硫化氫氣體、油脂、泥土等物質，這些物質會隨著天然氣的輸送與換能器進行接觸，部分物質還會黏著在換能器表面，進而影響正常的計量工作。尤其是在北方冬季，天然氣中的水分往往會凝結在換能器的探頭上，導致探頭無法正常工作，并出現換能器工作性能下降的問題，嚴重時會停止工作[4]。

4 換能器故障對計量產生的影響

4.1 換能器性能下降，時間測量不準確對計量的影響

在測量過程中，CPU 板能夠采集到超聲不發生至接受時的實踐，也會采集到換能器使用在上下游的延遲時間差和換能器本身材質所產生的延遲時間，這些時間參數可以帶入計算過程中。這些參數對于計量工作來說是最基礎的數據，如果這些數據出錯，必然會導致天然氣流速計量錯誤的問題[5]。

4.2 環境噪聲對氣體超聲波計量的影響

一般來說，氣體超聲波流量計發生的超聲頻率在120kHz左右，并且輔助天然氣供應所需的調壓設備在工作時也會發生一定的高頻噪聲，流量計超聲信號的接發會在這些高頻噪聲的影響下產生誤差。所以，在站場設計的過程中，應該先對調壓設備的高頻噪聲產生情況進行分析和調查，并根據設備的具體情況采用相應的抗干擾措施，T 型匯管或者計量調壓分區等措施都是能夠有效避免環境噪聲影響氣體超聲波計量工作的措施。高頻造成對流量計影響具體表現為信號出現模糊的問題，流量信噪比會發生明顯變化，在測量過程中，流量計的電子單元一般很難明確區分這兩種信號，所以會導致超聲波信號無法被有效測量出來，計量器的測量精度會受到影響。有研究表明，高頻造成會引起高達2%的測量誤差，并且通過實際經驗總結來看，對于流量計計量來說噪聲主要呈現負誤差影響[6]。

5 保證換能器性能的主要措施

5.1 嚴格按照技術標準操作設備

嚴格按照技術標準操作天然氣設備，能夠在工期規模增大的情況下，有效控制其氣體的流速，避免氣體流速過大所導致的異常振動，另外也能避免管道內短時間內出現高速氣體所帶來的溫度升高現象的發生。由此可見，這樣也能讓設備處于一個相對良好且穩定的工作環境，起到有效控制性能下降的速度的作用。

5.2 做好天然氣的過濾、凈化工作

目前，天然氣系統中都會配備相應的過濾、凈化設施，在實際天然氣供應過程中，對這些設施進行維護和優化，能夠有效提升天然氣的純凈度，減少游離水、硫化氫、油脂、鐵銹等污染物的含量，并避免這些污染物質黏著在換能器表面，換能器的使用壽命會間接得到延長。

5.3 加強多調壓設備的檢查和維護

由于調壓設備在運轉過程中會發生高頻噪聲，通過有效的檢查和維護能夠在一定程度上避免高頻噪聲的出現，從而避免換能器受到高頻噪聲的影響。T 型匯管或者計量調壓分區等措施都是能夠有效避免環境噪聲影響氣體超聲波計量工作的措施，但是也需要根據實際情況選擇和按照相應的噪聲控制設備。

6 結語

嚴格按照技術標準操作設備，做好天然氣的過濾、凈化工作，加強多調壓設備的檢查和維護都能起到延長換能器使用壽命的作用。另外，也需要技術人員加強對換能器性能的檢測工作，及時發現問題所在，并對損害嚴重的設備進行更換，保證計量設備的穩定運行。