氣體超聲流量計(jì)在聲道故障狀態(tài)下的應(yīng)用技術(shù)研究

劉 旸

（中國石油化工集團(tuán)有限公司物資裝備部）

我國對氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用技術(shù)研究起步較晚，始于20世紀(jì)90年代末。 由中國石油西南油氣田分公司承擔(dān)的超聲流量計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用研究，課題于1999年10月開題，2001年3月形成結(jié)題報告。 此后，2001年12月正式制定頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計(jì)測量天然氣流量》。 2007年又制定了JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》。 至此，我國天然氣計(jì)量方面的法律法規(guī)和檢定規(guī)范漸趨完善。 近年來，隨著國內(nèi)輸氣管道SCADA系統(tǒng)的構(gòu)建，氣體超聲流量計(jì)在天然氣輸氣主干管網(wǎng)上的應(yīng)用已成主流。 與此相對應(yīng)，國內(nèi)從事多聲道氣體超聲流量計(jì)產(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)起步也比較晚，直到2005年才由一家專門從事氣體超聲流量計(jì)研制的企業(yè)填補(bǔ)國內(nèi)這個領(lǐng)域的空白。

目前，在天然氣管輸?shù)馁Q(mào)易交接計(jì)量中均采用多聲道形式（最常用四聲道或六聲道）的氣體超聲流量計(jì)（GB/T 18604—2001）。 為了保證流量計(jì)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性， 國家等同采用ISO 17089標(biāo)準(zhǔn)制定了GB/T 34041.1—2017《封閉管道中流體流量的測量 氣體超聲流量計(jì)》， 要求氣體超聲流量計(jì)具備故障診斷功能，對信號處理單元要求通過智能診斷可以獲得超聲探頭的信噪比、增益控制值、信號幅值、信號接收率及聲速等信息。 并能通過上述診斷信息進(jìn)行分析比較，綜合判斷超聲探頭是處于正常工作狀態(tài)，還是受到凝結(jié)水影響工作異常、受粘滯油污等污染而處于故障狀態(tài)。 在極端狀態(tài)下，當(dāng)超聲探頭發(fā)生故障時，流量計(jì)通過自帶的智能診斷軟件，依據(jù)判斷結(jié)果自動切除故障聲道，使在線流量計(jì)的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差經(jīng)過自動修正后仍在要求的精度范圍內(nèi)。

筆者在從事天然氣計(jì)量工作中，就氣體超聲流量計(jì)實(shí)際應(yīng)用中碰到的一些問題，通過對工廠所能模擬的各類極端測試條件進(jìn)行相關(guān)的模擬試驗(yàn)過程的觀察和實(shí)際驗(yàn)證，介紹氣體超聲流量計(jì)在極端故障等狀態(tài)下保障計(jì)量準(zhǔn)確性的方法。

1 氣體超聲流量計(jì)原理

氣體超聲流量計(jì)采用超聲波檢測技術(shù)測定氣體流量，通過測量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的時間差，獲得被測氣體的流速，再乘以測量管段的截面流通面積和氣體密度，可以算出相應(yīng)的工況流量和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的流量。 氣體超聲流量計(jì)原理如圖1所示。

圖1 氣體超聲流量計(jì)原理

多聲道氣體超聲流量計(jì)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的是多聲道布置的冗余技術(shù)， 即將多對超聲換能器（俗稱超聲探頭） 布置在封閉管道的不同弦線位置組成多個測量聲道，測量管道內(nèi)流體（筆者主要探討氣體，尤其是天然氣等燃?xì)饨橘|(zhì)）不同層面所構(gòu)成流場的線速度，通過積分運(yùn)算公式獲得反映管道真實(shí)流速的面平均流速。

1.1 確定被測氣體的流速

如圖1所示， 令測量管道中兩換能器間的超聲傳播距離為L（即聲程），超聲傳播方向與軸線之間的夾角為θ， 超聲波在靜態(tài)氣體中的聲速為C，則當(dāng)測量管道內(nèi)氣體流速為v時，超聲波沿氣流順向傳播和逆向傳播的時間t1、t2分別為：

通過時差法進(jìn)行流量測量的基本原理為：

其中，聲時差Δt=t2-t1。 通過式（2）即可獲得每個聲道的流速。

實(shí)際測量過程中會出現(xiàn)干擾信號，此時信號處理單元中的CPU會對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動判斷，將無效數(shù)據(jù)丟棄，將N個有效的平均聲道速度va形成的平均流速保存下來：

如果某聲道的無效測量值超過一定的比例（各氣體超聲流量計(jì)生產(chǎn)制造商產(chǎn)品設(shè)定的默認(rèn)值不同），則該通道的平均流速不參與運(yùn)算，而采用一個替代值來代替錯誤聲道進(jìn)行補(bǔ)償。 以目前常用的四聲道直射式氣體超聲流量計(jì)為例，4個聲道（即長、短各2個聲道）的加權(quán)平均速度就是流過流量計(jì)的氣體速度：

其中，Wi為權(quán)重因子， 長聲道的權(quán)重大于短聲道。

1.2 工況條件下體積流量計(jì)算

由測得的管道中的氣體流速可以得到工況條件下氣體的瞬時流量Q：

1.3 標(biāo)準(zhǔn)工況條件下體積流量的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的瞬時流量Q0為：

其中，p、T、Z分別為管道中工況條件下氣體的壓力、溫度和壓縮因子，p0、T0、Z0分別為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的壓力、溫度和壓縮因子。

2 流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)的報警和故障診斷的技術(shù)可行性

目前，氣體超聲流量計(jì)基本都具備運(yùn)行狀態(tài)下的報警輸出（一般報警和故障報警）、故障診斷（判斷故障潛在來源）功能的設(shè)置，也即：氣體超聲流量計(jì)具有自動檢測各個聲道測量的流量（流速）、信噪比、自動增益值、信號幅值、信號使用率、聲速、壓力及溫度等參數(shù)的功能，而流量計(jì)的計(jì)量系統(tǒng)會自動調(diào)用這些參數(shù)的數(shù)值。 當(dāng)這些參數(shù)值超過預(yù)先設(shè)定的與口徑、適用溫度、壓力范圍或流量范圍相對應(yīng)的限值時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警告信號， 提醒用戶檢測和分析報警的原因，排除可能會產(chǎn)生故障的因素。

一般情況下，對于超聲信號的信噪比、自動增益值、信號幅度、信號使用率及聲速等異常，計(jì)量系統(tǒng)首先會提示流量計(jì)的超聲探頭和流量計(jì)測量管道內(nèi)壁可能存在油污等附著物，若報警值達(dá)紅色故障則有必要進(jìn)行停機(jī)檢查和清除油污的處理。 而對于當(dāng)某個聲道的探頭出現(xiàn)超聲信號幅值偏小（相比對稱的聲道而言）、信噪比大幅降低、自動增益失效、聲速偏離平均聲速超過標(biāo)準(zhǔn)值的情況，流量計(jì)則會根據(jù)判斷條件發(fā)出故障信號，與此同時系統(tǒng)會自動屏蔽該聲道探頭采集的數(shù)據(jù)，使該故障聲道不參與平均流速和流量的計(jì)算，同時利用正常聲道數(shù)據(jù)通過有效的補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型對切除故障聲道進(jìn)行替代補(bǔ)償處理，以確保計(jì)量的精度。

由于氣體超聲流量計(jì)生產(chǎn)商采用不同的聲時測量技術(shù)，對氣體超聲流量計(jì)診斷用各類數(shù)據(jù)的參照值也會不同， 但均應(yīng)符合GB/T 34041.1—2017規(guī)范的5.5.6節(jié)自診斷參數(shù)要求進(jìn)行判斷。

3 故障聲道切除后對流量計(jì)檢定示值誤差和重復(fù)性誤差的檢測與分析

針對實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)的問題，通過與流量計(jì)生產(chǎn)廠家協(xié)商，將一臺國產(chǎn)的四聲道氣體超聲流量計(jì)送上海市計(jì)量測試研究院測試中心進(jìn)行相關(guān)極端狀況的模擬測試。 由于該院無法模擬對計(jì)量裝置施加含水方面的測試，遂采取極端的聲道完全失效模式進(jìn)行模擬，即采用某一個或兩個聲道完全無法工作而進(jìn)行切除的測試試驗(yàn)。 該臺四聲道氣體超聲流量計(jì)（表號1151-034） 的口徑為DN100mm，測量準(zhǔn)確度等級為0.5級。 試驗(yàn)過程主要是切除不同的聲道后進(jìn)行實(shí)流檢定，用以分析不同故障狀態(tài)下檢定示值誤差和重復(fù)性誤差的影響量。 數(shù)據(jù)來自上海計(jì)量測試研究院提供的檢測報告（編號2015E31-30-006769）。

四聲道氣體超聲流量計(jì)切除一個長聲道（視為故障聲道）前后的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差比對見表1、圖2。

表1 一個長聲道（視為故障聲道）切除前后流量計(jì)的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差比對

圖2 一個長聲道（視為故障聲道）切除前后與增加補(bǔ)償檢定示值誤差比對

由表1和圖2可以看出，四聲道流量計(jì)正常狀態(tài)下符合測量準(zhǔn)確度0.5級的要求；當(dāng)切除一個故障長聲道后，對流量計(jì)的檢定示值誤差有一定影響，在0.1Qmax流量點(diǎn)時的檢定示值誤差超出0.5級的技術(shù)要求，而對切除長聲道檢定示值誤差補(bǔ)償后， 可滿足標(biāo)準(zhǔn)0.5級表檢定示值誤差的要求；當(dāng)切除一個故障長聲道后，有無補(bǔ)償四聲道流量計(jì)的重復(fù)性誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

四聲道氣體超聲流量計(jì)切除一個短聲道（視為故障聲道）前后的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差 比對見表2、圖3。

表2 一個短聲道（視為故障聲道）切除前后流量計(jì)的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差比對

圖3 一個短聲道（視為故障聲道）切除前后與增加補(bǔ)償?shù)臋z定示值誤差比對

從表2和圖3可以看出，四聲道氣體超聲流量計(jì)在切除一個故障短聲道前后，流量在全量程范圍中的檢定示值誤差均符合測量準(zhǔn)確度0.5級的要求； 對切除短聲道檢定示值誤差增加補(bǔ)償后，會得到更接近中間值的檢定示值誤差，線性度有所改善，誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；聲道切除后無補(bǔ)償和聲道切除后有補(bǔ)償兩種狀態(tài)下的重復(fù)性誤差均符合要求。

四聲道氣體超聲流量計(jì)長、短聲道各切除一個前后的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差比對見表3、圖4。

表3 長、短聲道各切除一個前后的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差比對

由表3和圖4可以看出，四聲道氣體超聲流量計(jì)長、短聲道各切除一個后，對流量計(jì)示值誤差有一定的影響， 在0.1Qmax流量范圍中檢定示值誤差稍超出測量準(zhǔn)確度0.5級的要求，但流量計(jì)的重復(fù)性沒有影響； 對切除聲道采取補(bǔ)償措施后，流量計(jì)的檢定示值誤差和重復(fù)性誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

從上述3個檢定試驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷， 故障長聲道的切除對流量計(jì)的示值誤差有一定的影響，而故障短聲道的切除對流量計(jì)示值誤差的影響較小，但經(jīng)過修正補(bǔ)償流量計(jì)示值誤差均符合要求。

四聲道流量計(jì)模擬發(fā)生故障時，重復(fù)性均沒有受到很大的影響。 因此這種時候采取對稱聲道的補(bǔ)償措施，能有效地改善氣體超聲流量計(jì)的計(jì)量性能。

圖4 長、短聲道各切除一個前后與增加補(bǔ)償?shù)臋z定示值誤差比對

從試驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)聲道對稱性補(bǔ)償后的示值誤差有向正偏差彌補(bǔ)的趨勢。

5 結(jié)束語

目前氣體超聲流量計(jì)在天然氣輸送管道已成功運(yùn)行。 氣體超聲流量計(jì)以其高精度、寬量程、無壓損和運(yùn)行維護(hù)量少的優(yōu)勢，尤其是目前大多數(shù)氣體超聲流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)均配備了遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時自動觀測計(jì)量系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，使該產(chǎn)品的優(yōu)勢突顯。 因?yàn)楫a(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中不可避免會遇到氣致原因或操作條件劇烈變化而導(dǎo)致的超聲探頭損壞等極端工況，而氣體超聲流量計(jì)可在聲道故障狀態(tài)下智能診斷并做出迅速響應(yīng)， 從而有效避免貿(mào)易計(jì)量偏差，并通過信息自動回傳由生產(chǎn)廠家提供快速維修的技術(shù)服務(wù)。

筆者通過對模擬試驗(yàn)驗(yàn)證在聲道故障的極端惡劣工況下超聲流量計(jì)運(yùn)行狀況的描摹，以期找出影響超聲計(jì)量系統(tǒng)在計(jì)量準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等方面的量化數(shù)值；并闡述利用氣體超聲流量計(jì)在智能自診斷方面所具有的技術(shù)優(yōu)勢，通過聲道故障切除或聲道替換技術(shù)，尋找保證超聲計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的技術(shù)措施。 當(dāng)然，實(shí)際工況更復(fù)雜，需要總結(jié)各種條件下流量計(jì)的安裝、調(diào)試、故障診斷排查、周期保養(yǎng)和維護(hù)方面經(jīng)驗(yàn)。