超聲波流量計在天然氣長輸管道計量中的影響

卜慶超

（國家管網集團 天津天然氣管道有限責任公司，天津 300457）

目前中國正處于能源大發展時期，天然氣需求逐年增加，加快建設清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系是國家實施能源戰略，打贏能源攻堅戰的必由之路。隨著國內天然氣市場的快速發展，天然氣交易額穩步提升，對天然氣貿易交接精度要求越來越高，因此如何保證計量精度，實現準確計量成為天然氣貿易交接中的關鍵因素[1]。

超聲波流量計相比于其他流量計具有無節流件、高精度、壓損小、耐腐蝕等特點，廣泛應用于國內長輸管道天然氣計量系統。

1 超聲波流量計工作原理

聲波作為一種機械輻射能，是以實際物質為載體的縱向壓力波，當物質在大氣中發生振動時便產生聲波。聲速的定義為聲波在介質中的傳播速度，受介質的彈性與密度的影響[2]。超聲波流量計通過超聲換能器（又稱“探頭”）產生超聲波，由一個探頭發射另一個接收，在流動介質中聲波由上游向下游的傳輸時間小于聲波由下游向上游的傳輸時間，這兩個時間之差與氣體的流速存在對應關系，通過這種時間差法可以得到介質中的聲速與介質流速[3]。

1.1 流速計算

天然氣長輸管道中，超聲波流量計工作截面如圖1所示。氣體流動方向從左至右，故稱A端為上游，B端為下游。

圖1 超聲波流量計工作截面圖Fig.1 Working section of ultrasonic flowmeter

由于A與B的距離確定，且A端處于氣流上游，B端處于氣流下游，因而超聲波在氣流的作用下從A至B的傳播時間小于從B至A的傳播時間[4]。

超聲波由A至B的傳播時間t1為：

超聲波由B至A的傳播時間t2為：

式中，L為探頭端面間的距離（又稱“聲程”），m；θ為管道軸線與探頭端面連線的夾角（又稱“聲道角”）；c為超聲波在靜態介質中的聲速，m/s；υ為管道內氣體沿軸線方向的流速，m/s；t1、t2分別為超聲波順流與逆流的傳播時間，s。

根據式（1）、式（2）可得到c、υ分別為：

式中，t1與t2為超聲波流量計測得數據，因此只需知道聲程L和聲道角θ即可計算出管道內氣體流速。

1.2 操作條件下的流量計算

操作條件下管道內氣體的瞬時流量指單位時間內通過管道橫截面積的流量值，即操作條件下的流量為管道內氣體的平均流速與管道橫截面積的乘積[5]，如式（5）所示。

式（5）中，q為操作條件下氣體的瞬時流量，m3/h；D為管道內徑，m；V為管道內氣體沿軸線方向的平均流速，m/s。

由于長輸管道內壁為非光滑曲面，氣體與管道內壁摩擦會影響流速，因而靠近管壁位置氣體流速相對較慢，靠近中心位置氣體流速相對較快。為準確計算V，消除因摩擦造成的計算偏差，設置權重因子，探頭分布不同，權重因子取值不同[6]，如式（6）所示。

式（6）中，N為聲道數量；?為權重因子。

1.3 標準參比條件下的流量計算

目前國內進行的天然氣貿易交接均為標準參比條件下的天然氣體積交接，因此需要將操作條件下的體積量變換為標準參比條件下的體積量，如式（7）所示[7]。

式（7）中，Q為標準參比條件下的天然氣瞬時體積流量，m3/h；Pf為操作條件下的壓力值，MPa；Pn為標準參比條件下的壓力值，MPa；Tn為標準參比條件下的熱力學溫度，K；Tf為操作條件下的熱力學溫度，K；Zn為標準參比條件下的壓縮因子；Zf為操作條件下的壓縮因子。

由于氣體具有可壓縮性，因而長輸管道內的天然氣在不同的壓力、溫度、組成體系下將體現出不同的壓縮性能[8]。

2 超聲波流量計計量影響因素

2.1 探頭工作效率對計量的影響

超聲波流量計可移動部件較少，主要由表體、超聲換能器、信號處理單元組成，超聲換能器作為超聲波流量計的核心部件，負責超聲波的發射與接收[9]。根據式（4）可知，管道內氣體流速計算與超聲波順流和逆流傳播時間、聲程及聲道角有關，而聲程和聲道角為超聲波流量計固有屬性，因此超聲換能器工作狀態決定流速測量精度[10]。

1）探頭缺陷

天津管道某計量交接站使用Elster六通道超聲波流量計作為貿易交接儀表，正常供氣期間發現該流量計偏差較大。

對該超聲波流量計數據進行查驗，發現該流量計5通道探頭使用率較低，為30%～60%（正常應為100%），同時5通道流速（VOG）明顯低于其他通道。由于探頭分布具有沿管道軸線對稱性，相同環境下對應探頭間流速相同，即υ(A)=υ(F)、υ(B)=υ(E)、υ(C)=υ(D)[11]，因而判斷偏差是由 5通道數據異常導致。在對流量計傳輸系統檢查確認無誤后，對流量計探頭進行檢查，發現該流量計5通道上游探頭存在明顯缺陷，如圖2所示。對5通道探頭進行更換，數據恢復正常。

圖2 超聲波流量計探頭缺陷Fig.2 Probe defects of ultrasonic flowmeter

探頭為超聲波流量計發射、接收聲波的部件，對設備運行起著關鍵作用。根據式（4）可知，超聲波發射與接收聲波效率影響管道內氣體流速計算，進而影響計量精度[12]。上例中，由于探頭缺陷，導致5通道計算流速偏低，影響計量準確性。

2）探頭故障

超聲波流量計探頭工作狀態可通過流量計配套軟件進行檢查，不同型號的流量計對應不同的數據標準，如信號質量、信噪比、增益等。當正常運行狀態下的數據值超過標準值時，需及時對流量計進行檢查，避免產生計量誤差[13]。

天津管道某計量站使用Daniel四聲道超聲波流量計，某日正常輸氣期間外輸故障報警，信號傳輸中斷。對采集到的壓力、溫度和氣體組成核查無誤后，對流量計本體進行檢查，發現此流量計A通道探頭增益超過正常值見表1。根據GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》要求，超聲波流量計各通道間聲速偏差小于0.2%，該流量計聲速偏差超過規定值見表2。

表1 流量計增益值Table 1 Flowmeter gain

表2 流量計各通道聲速值Table 2 Sound velocity value of flowmeter

超聲波流量計的增益表示可以正常接收信號時的強度。當增益超過正常值時，可能因為探頭故障、探頭表面臟污或者干擾信號過強等，影響有效信號的接收。根據上述檢測結果，初步判斷是探頭表面臟污導致，對探頭清洗后數據恢復正常，如圖3所示。

圖3 超聲波流量計診斷結果Fig.3 Flowmeter diagnosis results

2.2 氣質和噪聲對計量的影響

除探頭本身原因外，管道內氣質情況、上下游噪聲等都會影響超聲波流量計的計量精度[14]。

GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中指出，天然氣氣質對氣體超聲波流量計影響較大，尤其是粉塵、凝析油等對氣體超聲波流量計計量性能的影響較大。這些臟污在管壁和換能器上附著和堆積，如果現場清洗維護工作不及時，可能會帶來較大的計量偏差。研究表明，探頭臟污可對流量計流量輸出帶來0.3%以上的偏差。中國長輸管道氣源多來自于國內氣田、LNG接收站、境外管道輸入，氣質情況無法保持一致。為防止因氣質造成的計量誤差，超聲波流量計前常設有過濾分離裝置，如圖4所示。

圖4 過濾分離裝置Fig.4 Filtration and separation device

噪聲與氣體流速、場站工藝相關，根據《工作場所有害因素職業接觸限值 第2部分：物理因素》的規定，當噪聲超過85dB時，將對人的聽力、神經和心血管系統產生影響，場站人員長時間接觸噪聲，勢必對身心造成傷害；同時當噪聲頻率范圍與超聲波流量計工作頻率相近時，將干擾探頭接收信號，影響流速計算[15]。AGA No.9報告和ISO 17089提出了如何減少噪聲對超聲波流量計的影響以及實用性的要求，如對于流量計生產廠家而言，應增強流量計的信號處理能力，改善對聲脈沖的識別和檢測，同時提高濾波能力；對于使用者而言，可在流量計和噪聲源之間安裝管路附件（如：過濾器、盲三通等）來隔離噪聲。此外，噪聲源相對于流量計的安裝位置（上游還是下游）、相對距離、流量計與噪聲源之間的管件類型和數量等尤為重要。靜音調節閥雖然可降低場站的噪聲，但其產生的頻率往往較高，可達到超聲波流量計的工作頻率，易造成探頭誤接收，影響計量精度。因此，常通過設計π型管降低設備噪聲，如圖5所示。

圖5 降低噪聲裝置Fig.5 Noise reduction device

2.3 壓力對計量的影響

根據式（7）可知，標準參比條件下的流量值與操作條件下的流量值、壓力、溫度、氣體組成有關，因此準確計算操作條件下的流量、提取壓力、溫度、氣體組成對準確計算標準參比條件下的流量，實現公平貿易交接起著決定作用[16]。

天津管道某計量站使用的是羅斯蒙特壓力變送器進行壓力補償，因設備到期對其進行維護與檢定，完成后回裝。工作當日發現輸氣量偏差較大，對該站流量計檢查無誤后，利用FLUKE 754過程校驗儀（精度為0.5‰）對該壓力變送器進行檢測，如圖6所示。

圖6 過程校驗儀Fig.6 FLUKE 754

根據JJG882-2019《壓力變送器檢定規程》要求，壓力變送器誤差不應超過準確度等級對應的輸出量程百分比。通過檢測發現，該壓力變送器反饋壓力值比標準器高約30kPa，超出規范要求見表3，對該壓力變送器重新校驗后數據恢復正常。

表3 壓力變送器數據Table 3 Data of pressure transmitter

上述案例中，由于壓力變送器反饋壓力值高于真實值，導致計量結果偏高。天然氣長輸管道中，除了壓力因素外，溫度、氣體組成同樣影響計量結果。根據美國氣體協會1992年發布的計算壓縮因子的AGA 8報告可知，壓縮因子的計算也與壓力、溫度和氣體組成相關。因此，需及時更新天然氣組分，定期核對采集數據，避免因數據偏移造成的計量誤差。此外，使用中要利用超聲波流量計的自診斷功能，加強聲速測量的監測診斷，把控流量計性能，減少計量偏差，增加計量準確度。

3 結論

超聲波流量計在天然氣長輸管道計量中，首先通過時間差法測得氣體流速，再通過管道內徑計算氣體操作條件下的流量，最后利用壓力、溫度、氣體組成計算氣體壓縮因子，將操作條件下的流量轉換為標準參比條件下的流量，進行貿易交接。

本文總結了在天然氣長輸管道計量中的一些常見問題及應對措施，其中探頭工作效率，壓力、溫度、壓縮因子采集精度都是影響計量結果的常見因素。因此，需定期清洗探頭，測試探頭工作狀態，核查壓力、溫度、氣體組成的采集情況，確保計量準確。