簡(jiǎn)析超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0 引言

呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)采氣系統(tǒng)完善工程設(shè)計(jì)氣體超聲波流量計(jì)一套，上海上自?xún)x公司包括現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)、溫度補(bǔ)償儀表、壓力補(bǔ)償儀表、前后直管段、流動(dòng)整流器及流量計(jì)算機(jī)，上海上自?xún)x公司具有雙向計(jì)量功能，實(shí)現(xiàn)呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)與西部管道公司之間的貿(mào)易交接計(jì)量。

1 測(cè)量原理

氣體超聲波流量計(jì)由多對(duì)探頭傳感器、信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)、電子顯示單元等測(cè)量元件組成，配套使用流量計(jì)算機(jī)。通過(guò)對(duì)超聲脈沖傳輸時(shí)間的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)氣體的流速測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出天然氣工況條件下的流量，也就是根據(jù)順氣流方向的脈沖比逆氣流方向的脈沖速度快的原理，計(jì)算出關(guān)系中的氣體流速，如圖1所示。每個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行收發(fā)脈沖，每對(duì)探頭通過(guò)連續(xù)進(jìn)行脈沖收發(fā)方向切換完成測(cè)量，如：一個(gè)方向的傳輸時(shí)間測(cè)量完成后，原來(lái)的脈沖發(fā)射器就變成接收器，反之亦然。此外，聲速的測(cè)量還取決于氣體的組分類(lèi)型、壓力和溫度等可以量化的因素，為了充分考慮到流態(tài)變化的影響，采用多聲道分布在幾個(gè)完全平行的平面上，每個(gè)測(cè)量平面由兩個(gè)相互交叉的聲道組成，聲道結(jié)構(gòu)依據(jù)高斯-切比雪夫原理科學(xué)排列，保證氣體流速測(cè)量和不對(duì)稱(chēng)流、渦流、切向流檢測(cè)與補(bǔ)償均達(dá)到非常優(yōu)化。

2 遵循的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》（GB/T 18603-2014）。

《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》（GB/T 18604-2014）。

《Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters》（A.G.A No.9）。

《Speed of Sound in Natural and Other Related HydrocarbonGas》（A.G.A No.10）。

3 選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)的量程比寬，可達(dá)到1：100的量程比，適用于流量變化幅度大的計(jì)量站場(chǎng)。設(shè)計(jì)規(guī)范要求超聲波流量計(jì)所測(cè)管道內(nèi)天然氣介質(zhì)的流速不應(yīng)超過(guò)20m/s。目前，國(guó)際知名制造商（例如：RMG、Daniel、德國(guó)西克）所生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)的檢測(cè)范圍是0.3 m/s ~30 m/s。

非貿(mào)易交接計(jì)量，一般選用單聲道或雙聲道超聲波流量計(jì)即可；貿(mào)易交接計(jì)量中，至少選用4聲道超聲波流量計(jì)，其中聲道數(shù)量為探頭的對(duì)數(shù)。

超聲波流量計(jì)需要定期進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，目前，國(guó)內(nèi)各大標(biāo)定站所能標(biāo)定的超聲波流量計(jì)的非常大口徑為DN400。超聲波流量計(jì)的安裝應(yīng)盡可能避開(kāi)振動(dòng)環(huán)境，減少振動(dòng)、噪音干擾。據(jù)流量計(jì)安裝使用場(chǎng)所，合理確定超聲波流量計(jì)的防爆等級(jí)及防護(hù)等級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)參比條件：20℃，101.325KPa。

3.2 溫度補(bǔ)償儀表

超聲波流量計(jì)補(bǔ)償用溫度檢測(cè)儀表的精度應(yīng)該優(yōu)于±0.3℃。如果流量計(jì)只是進(jìn)行單向流測(cè)量，那么應(yīng)將測(cè)溫孔和取樣孔設(shè)在流量計(jì)下游距法蘭端面2D~5D之間；如果流量計(jì)是用于雙向流測(cè)量，那么測(cè)溫孔和取樣孔應(yīng)設(shè)在距流量計(jì)法蘭端面3D~5D之間 [3] 。

溫度計(jì)和取樣器插入深度宜為1/3D，對(duì)于大口徑流量計(jì)（DN300及以上），插入深度應(yīng)不超過(guò)125mm。依據(jù)流量計(jì)安裝使用場(chǎng)所，合理確定溫度補(bǔ)償儀表的防爆等級(jí)及防護(hù)等級(jí)。

3.3 壓力補(bǔ)償儀表

超聲波流量計(jì)補(bǔ)償用壓力檢測(cè)儀表的精度，A級(jí)計(jì)量系統(tǒng)不低于0.2%，B級(jí)計(jì)量系統(tǒng)不低于0.5%，C級(jí)計(jì)量系統(tǒng)不低于1.0%。

超聲波流量計(jì)表體應(yīng)至少有一個(gè)取壓孔用以測(cè)量靜壓，每個(gè)取壓孔應(yīng)具有裝隔離閥的內(nèi)螺紋，并且具有能將隔離閥直接安裝在取壓孔上的回轉(zhuǎn)空間，內(nèi)螺紋的規(guī)格宜為1/4″NPTF或1/2″NPTF。

壓力補(bǔ)償儀表一般選擇安裝于超聲波流量計(jì)本體，也可以根據(jù)業(yè)主要求，安裝于超聲波流量計(jì)的前后直管段。依據(jù)流量計(jì)安裝使用場(chǎng)所，合理確定壓力補(bǔ)償儀表的防爆等級(jí)及防護(hù)等級(jí)。

3.4 直管段

流量計(jì)單向計(jì)量，不帶整流器的情況下，流量計(jì)上游至少需要50D的直管段；流量計(jì)下游直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)為5D。流量計(jì)單向計(jì)量，帶有流動(dòng)整流器的情況下，流量計(jì)上游至少需要30D的直管段，且流動(dòng)整流器宜安裝在流量計(jì)上游10D處。流量計(jì)下游直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)為5D。

流量計(jì)雙向計(jì)量，帶有流動(dòng)整流器的情況下，流量計(jì)上游至少需要30D的直管段，流量計(jì)下游至少需要30D的直管段，且流動(dòng)整流器分別安裝在流量計(jì)上游/下游10D處為宜。直管段與流動(dòng)整流器、超聲波流量計(jì)、上下游管線(xiàn)之間均采用法蘭安裝。

3.5 流動(dòng)整流器

整流板的孔板厚度應(yīng)在0.125D～0.25D之間。孔板式流動(dòng)調(diào)整器應(yīng)選用不銹鋼板材料制造。根據(jù)超聲波流量計(jì)制造商要求，合理選用19束、25束或其他型式的流動(dòng)整流器。

3.6 流量計(jì)算機(jī)

超聲波流量計(jì)一般配套使用流量計(jì)算機(jī)，用于流量計(jì)控制和工作的計(jì)算機(jī)代碼應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，所有流量計(jì)算常數(shù)和人工輸入的參數(shù)也應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。流量計(jì)算機(jī)應(yīng)采用LCD顯示方式，其面板應(yīng)帶操作按鍵，可任意選擇顯示內(nèi)容。上海上自?xún)x公司一般依據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，合理計(jì)算出流量計(jì)算機(jī)的顯示精度，例如能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)前10位及小數(shù)點(diǎn)后4位。