超聲波流量計在氣體計量中的應用策略

張淞

廣西壯族自治區計量檢測研究院 廣西 南寧 530007

隨著科學技術的發展，天然氣已經在我國得到了廣泛應用。在天然氣供需貿易過程中，氣體計量是一種至關重要的貿易結算依據。而在具體的氣體計量工作中，超聲波流量計是較為常用的一種計量器具。為實現此項計量器具的良好應用，相關單位與技術人員需要對其應用策略進行深入研究，并結合實際需求，將其合理應用到具體的氣體計量工作中。

1 超聲波流量計及其工作原理

1.1 超聲波流量計簡介

超聲波流量計是一種通過時差法測量氣體流量的設備，該設備中包括2個相對的傳感器，一個負責超聲波發送，另一個負責超聲波接收，因每一個傳感器都同時具備超聲波發送以及接收兩種功能，所以可達到更好地超聲檢測效果。具體應用中，超聲波能量會在2個傳感器與流體間以一定的角度傳遞，從而達到精準的氣體計量效果[1]。憑借著計量速度快、準確率高、簡單便捷等的諸多優勢，超聲波流量計在當今的氣體計量工作中得到了廣泛應用，并發揮出了非常好的應用優勢。

1.2 超聲波流量計的工作原理

超聲波流量計的計量形式有很多種，其中最為常用的是時差法，該方法可實現天然氣的高精度計量[2]。圖1是基于時差法的超聲波流量計氣體計量原理示意圖：

圖1 基于時差法的超聲波流量計氣體計量原理示意圖

具體計量時，需要在天然氣管壁兩側安裝A和B兩個超聲換能器（即超聲波傳感器），并結合實際情況使其具有一定的傾斜角度，以此來確保換能器的工作效果，使其超聲波信號發射或接收工作得以同時或定時實現。如圖1所示，L代表A和B兩個超聲波換能器之間的距離，其單位是m；Vm代表管道中的天然氣流速，其單位是m/s；φ代表天然氣管道中的超聲波以及流體流動夾角，其單位是°；D代表被測天然氣管道直徑，其單位是m[3]。對于管道中天然氣的逆流傳播時間以及順流傳播時間，超聲波流量計可按以下公式進行精準計算：

式中，td代表管道中天然氣的逆流傳播速度，其單位是m/s；C代表流體中的超聲波聲速，其單位是m/s；tv代表管道中天然氣的順流傳播速度，其單位是m/s。

通過公式（1）和公式（2）聯立，便可進一步計算出管道中的天然氣流速，而根據計算出的流速與管道橫截面積，便可準確計算出管道中的天然氣流量，從而為天然氣的貿易交接工作提供重要的技術與數據支持[4]。

1.3 檢測標準

在通過超聲波流量計進行天然氣管道的流量檢測時，相關單位需要將GB/T13609以及GB/T 13610標準作為依據，通過AGA Report N1.10聲速計算軟件來進行檢測[5]。表1是超聲波流量計在天然氣計量工作中的氣體混合物摩爾分數檢測適用范圍：

表1 超聲波流量計在天然氣計量工作中的氣體混合物摩爾分數檢測適用范圍

具體檢測中，需要將檢測溫度控制在-8～62℃，檢測壓力控制在0.2～12MPa。

2 氣體計量中的超聲波流量計主要應用策略

2.1 超聲波流量計安裝策略

在通過超聲波流量計進行氣體計量的過程中，流量計的安裝是一個首要環節，只有確保安裝質量，才可以充分發揮出其應用效果，滿足實際的天然氣計量工作需求。就目前的天然氣計量來看，超聲波流量計的主要安裝策略包括以下幾個方面：1）在超聲波傳感器的安裝時，其安裝位置所在的天然氣管路一定要保持在非工作狀態，并結合實際情況，可進行斷氣作業或2條支路的交替切換作業。2）超聲波傳感器的安裝單元一定要和天然氣管路管徑尺寸保持一致，通常情況下，兩者的尺寸偏差應控制在1%及以內。3）為有效防止空氣或顆粒物等對換能器中的超聲波表面造成干擾，在傳感單元安裝中，應將其與水平方向的夾角盡量控制在45°以內[6]。4）傳感器安裝位置的上下游管道一定要具備一定長度的直管段，其中，上游直管段長度應控制在10D及以上，下游直管段長度應控制在5D及以上。5）超聲波流量計應盡量安裝在天然氣管道中沒有阻力的位置，盡量遠離變徑、閥門和彎頭等的阻力構件，這樣才可以有效確保其測量數據的精準性。6）對于安裝換能器的位置以及管道壁反射位置，一定要與焊縫和接口避開。7）一定要嚴格按照生產廠家的規定進行換能器安裝，尤其是對于垢層和管道襯里位置安裝的換能器，安裝時，一定要確保其厚度符合規定的標準，且換能器和垢層、管道襯里之間不可存在間隙。8）安裝過程中，工作人員一定結合實際情況，采取合理的方式清理好天然氣管道內壁上的銹跡，使流量計的安裝位置足夠清潔，以免超聲波信號受到不良影響。9）將合適的耦合劑涂抹到超聲波換能器工作表面和管式輸送機管壁之間，以免進入其他的傳播介質，從而使超聲波流量計的計量精度得到良好保障。

2.2 超聲波流量計應用策略

雖然超聲波流量計具有非常高的準確度與可信度，在大流量天然氣計量中十分適用。但是在具體應用中，為使其氣體計量優勢得以充分發揮，相關單位與工作人員一定要將《用氣體超聲流量計測量氣體流量》GB/T18604—2014標準中的相關規定作為依據，結合實際的天然氣計量工作需求，對超聲波流量計加以合理應用[7]。就目前來看，在通過超聲波流量計進行氣體計量的過程中，為有效確保計量精度，滿足天然氣貿易工作中對于氣體測量的實際需求，相關單位與工作人員應采取以下策略：

首先是根據被測管道中的天然氣流速合理確定超聲波流量計的檢測范圍。通常情況下，天然氣管道中的氣體流速在0.3～30m/s之間，具體計量時，只有使超聲波流量計的計量范圍符合這一標準，才可以確保其應用效果，獲得足夠精準的計量數據?；诖?，相關單位與工作人員一定要明確被測管道中的實際天然氣流速，并以此為依據來選擇和設置超聲波流量計的計量范圍。通過這樣的方式，才可以滿足實際的氣體計量需求，使超聲波流量計在氣體計量工作中的應用優勢得以充分發揮。

其次是合理控制噪聲對超聲波流量計的影響。在超聲波流量計的實際應用中，超聲波傳感器里發出的超聲波會將天然氣管道中的實際氣體情況作為依據，對超聲波束產生相應的反射作用。通過這種反射作用的分析之后，超聲波流量計便會將相應的數據顯示給用戶，從而實現檢測結果的獲取。但是在這一過程中，超聲波會從天然氣管道中的彎頭、整流器以及閥門等很多配件中通過，而這些位置則很容易產生和超聲波脈沖頻率相同的噪聲，從而對超聲波的接收結果產生不利影響，嚴重的情況下甚至會使超聲波傳感器接收到的數據存在較大誤差，從而降低氣體計量數據的精度[8]。為有效降低此類噪聲對超聲波流量計實際測量結果的影響，相關單位與工作人員應盡量選擇平直的、沒有彎頭的管道材料，并將閥門盡可能安裝到超聲波流量計的計量范圍之外。如果這些情況無法避免，則需要選擇噪聲過濾性能足夠強的超聲波流量計進行計量。通過這樣的方式，才可以讓噪聲問題對超聲波流量計氣體計量效果的影響得以有效控制，進一步提升超聲波流量計的計量精度。

最后是防止污垢對計量結果的影響。因為天然氣管道在運行過程中不能進行內部清理，所以在長時間應用之后，很多的硫化物、油污以及臟水等污垢都將附著在天然氣管道內壁上。在通過超聲波流量計進行氣體計量的過程中，附著在天然氣管道上的污垢便很容易轉移到超聲波流量計探頭上，并逐漸轉移至其內部，從而對其計量結果產生較大影響。同時，這樣的情況也很容易使超聲波流量計的內壁產生反射活動，從而對其使用質量造成危害，嚴重的情況下甚至會縮短其使用壽命。為避免此種情況的發生，具體計量中，工作人員一定要定期對超聲波流量計所在的天然氣管道進行清理，通過不同分支管路交替運行的形式來滿足實際的天然氣傳輸需求，并使其管道內部附著的污垢得以及時清理。就目前來看，天然氣管道的主要清理方法包括清管球法以及氣體增壓爆破法。具體清洗中，需根據實際情況與實際的清理需求選擇合理的清理方法[9]。通過這樣的方式，才可以有效防止污垢對超聲波計量器的不利影響，在確保其氣體計量精度的同時提升其運行的穩定性，并進一步延長其使用壽命。

2.3 超聲波流量計維護策略

在超聲波流量計的具體應用中，為進一步確保其應用性能與使用壽命，并得到更加精準的氣體計量結果，相關單位與運維技術人員一定要做好此類流量計的維護工作。就目前天然氣計量工作中應用的超聲波流量計來看，其主要的維護策略包括以下幾個方面：1）嚴格按JJG 1030—2007《超聲流量計》檢定規程中規定的檢定周期與檢定方法來進行檢定，通常情況下，此類流量計的檢定周期最長是2年，但實際應用中，考慮到各方面因素的不良影響，相關單位應盡量將其檢定周期控制在1年及以內。這樣才可以及時發現超聲波流量計存在的異常，并使其得到及時處理，以此來確保其應用效果，提升計量精度。2）檢定中，如果發現超聲波流量計的計量誤差過大，應及時檢查其探頭和內部的污垢情況，并及時做好清理工作，以此來降低計量誤差。3）對于流量計中損壞的部件，應視其實際情況及時做好維修和更換處理，4）檢修時，技術人員一定要格外注重流量計線纜及其連接接頭等的檢測，使其供電保持正常。通過這樣的方式，才可以使超聲波流量計得以良好維護，避免產生故障和誤差[10]。5）根據GB/T 30500—2014《氣體超聲流量計使用中檢驗聲速檢驗法》中的相關檢測方法定期自查氣體超聲波流量計的工作狀態，如果發現異常應及時維修。表2為氣體超聲流量計聲速檢驗法技術要求：

表2 氣體超聲流量計聲速檢驗法技術要求

3 結束語

綜上所述，超聲波流量計是當今氣體計量工作中的一種常用檢測儀器，其應用效果將會對氣體計量結果的精度與相關工作的開展起到直接的影響作用。基于此，相關單位與技術人員一定要對超聲波流量計的工作原理做到充分掌握，并結合實際的氣體計量條件及其工作需求，對此種計量器具加以合理應用。這樣才可以有效保障其應用效果，延長其使用壽命，并為氣體計量與其他相關工作提供足夠科學、精準的數據支持。