氣體超聲波流量計在天然氣計量中的應用（yòng）
氣體超聲波流量計是二十世紀九十年代後期才成熟起來的一（yī）種（zhǒng）新型流量計，它具有無可動部件（jiàn）、無阻力件、無壓損、量（liàng）程比寬（kuān）、準確度高、全自動（dòng）化、可測量雙向（xiàng）流、含液流等特點。近幾（jǐ）年在天然氣計量領域得到迅猛發展。氣（qì）體（tǐ）超聲（shēng）波流量（liàng）計作為一種新（xīn）型（xíng）流量計，其真正（zhèng）的計量性能（néng）有待於研究證實。
根據檢測的方式，氣體超聲波流量計可分為傳播時間差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法等不同類型的氣體超聲波流量計。其中（zhōng）在氣體超聲波領域（yù）用得*多的是傳播（bō）時間（jiān）差（chà）法，即時差式氣體超（chāo）聲波流量計。
1、時差（chà）式氣體超聲波流量計的工作原理
時差式氣體（tǐ）超聲（shēng）波流量計的是利用超聲波在氣體中沿順流傳播的時間和沿逆流傳播的（de）時間差與氣體流速成（chéng）正比這一原理（lǐ）來測量氣體流量（liàng）的。工作原理見圖1。
圖1中，氣體超聲波（bō）流量（liàng）計的換能器Ａ和換能器Ｂ裝在管道兩側，超聲波的聲（shēng）程長度為Ｌ，超（chāo）聲波傳播的（de）方向與流體在管道中的流動方向夾角為θ，超聲波在流體中的順流傳播時間為ｔＤ，逆流傳播時間為ｔＵ。
從式（3）中可以看出，氣體的流速測量與介質的聲速無關，隻與長度和時間兩個參數有關。氣體超聲流量計測量（liàng）原理是長度與時間（jiān）兩個基（jī）本量的結合，其導出量時間（jiān）和長度的溯源性好，溯（sù）源準（zhǔn）確度高，超聲波（bō）流量計能夠有很高的計量準確度。並能夠（gòu）以此建立流（liú）量基準。
2、氣體（tǐ）超聲波流量計在天然氣流量計量中的應（yīng）用
天然氣流量計量是一個複雜的（de）多參數測量過程，在研究時要保證（zhèng）測量準確性需要有相應的流量比對裝置。在本實驗研究（jiū）中，我們將氣體超聲波流量計與一套標準孔板流量計串聯運行，使我們（men）的實驗數據更加有效，更有說服力。我們選用的是美國丹尼爾公司生產的四聲道氣體超聲波流量計，管道（dào）內徑是300mm，流（liú）量範圍（工作狀態下）：240～6405m3/h，其在標準狀況下*大、*小（xiǎo）流量見表1。
氣體超聲波流（liú）量計在實驗（yàn）流程示意圖見圖2。標準孔板流量計的計量管徑（jìng）305mm，孔板內徑（jìng）130.079mm。
2.1噪聲對氣體超聲波流量計準確（què）度影響
GB/T18604-2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量（liàng）》中提到（dào）來自被測介質內（nèi）部的噪聲可能會對氣體超聲波流量計的測量準確度帶來不利的影響（xiǎng）。噪聲的（de）來源主要有（yǒu）環境噪聲和氣流經（jīng）過沒（méi）有全開的閥門時節流的噪聲（shēng）。我們采用氣體超聲波流量計上遊閥門1節流（liú）控製流量大（dà）小時，節流的聲音（yīn）隨著流量的增大而增大（dà），氣體超聲波流量計與標準孔板流（liú）量計的相對誤差也逐步增大，氣體超聲波流量計的流量低於標準孔板流量計流量。當閥門1全開，用閥門2控製流量大小的時候，氣體超聲波流量計（jì）的信噪比較大且基本（běn）保持不變（biàn），氣體超（chāo）聲波流量計與標準孔板流量計的相對誤差基本（běn）保持不變。實驗（yàn）數據（jù）見表2和表3。
從表2和表3中（zhōng）可以看出，當采用上遊閥門（mén）1節流的時候，氣（qì）體超聲波流量計的（de）信噪比明顯低於上遊閥門全（quán）開的時候。這是因為（wéi），當氣體超（chāo）聲波流量計上遊閥門節流時（shí）除了能產生我們能聽到的聲音外還能產生人耳無法聽到高頻超聲波，當這種聲波的頻率（lǜ）與氣體（tǐ）超聲波流量計的工作頻率（lǜ）相近時氣體（tǐ）超聲波流（liú）量計信噪比降低，從而影（yǐng）響流量計的測量準確（què）度。
2.2流態（tài）對（duì）氣體超聲波流量計（jì）的影響
GB/T18604-2001《用氣體超（chāo）聲波流量計測量天然氣流量》要求氣體超聲波流量計上遊直管段*少為10D，下遊直管段至少為5D，以（yǐ）保（bǎo）證進入流量計的天然氣流態是對稱的充分發展的紊（wěn）流速度分布（bù）。計量管路中的閥（fá）門、空間彎頭等阻流件會對天然氣的速度分布產生影響，從而影響測（cè）量的準確（què）度。圖3是氣（qì）體（tǐ）超聲波（bō）流量計的聲道分布示（shì）意圖，沿管道橫截麵由上到下平行分布四（sì）個聲道。氣體超聲波流量計通過對各個聲道測得的流速進行（háng）加權（quán）平均得到管道中氣體的平均流（liú）速。
表4和表5是氣體超聲波（bō）流量計在閥門1節流（liú）、閥門（mén）1全開測得（dé）的（de）氣體流態在管道中的分布情況。
從圖3、表4和表5可以（yǐ）看出，當閥門1節流（liú）時，隨著流量的增大，天然氣在管道中的流速分布（bù）越來越不均勻，反應在超聲波A、D聲道的流速大於B、C通道（dào）的流速。隨著流量的增大管道內氣體的（de）流速由分布逐漸（jiàn）變成分布，即沿管壁的氣體流速由低於管道中心氣體流速變成高於管道中心氣體流速。當上（shàng）遊閥門全開的時候，沒有對氣（qì）流產生阻擋，隨著流量的（de）增大，管道內氣體（tǐ）的流速分（fèn）布變化不大，始終保持分布，符（fú）合標準規定（dìng）的流態。因為當（dāng）天然氣經過沒有完全開啟的閘閥時，天然氣由於閥門閘板的阻擋產（chǎn）生與管道（dào）中心軸不對稱的（de）旋轉氣（qì）流（liú），經過發展成為漩渦流。
2.3氣（qì）質對氣體超（chāo）聲波流量計（jì）的影響
氣體超聲波流量計對於（yú）我們來說是一（yī）個全新的流量計，我們以前隻是從理論上對其（qí）有一定的認識，而對它的實際工作性（xìng）能並不了解。我們（men）知（zhī）道氣體超聲波流量（liàng）計對氣質條件要求不嚴（yán）格，可用於工業環境下連續（xù）測量不含大（dà）濃度懸浮粒子或氣體的大多（duō）數清潔（jié）均質液體的流量。我們在用氣體超聲波（bō）流量計在對含有飽和水蒸汽、霧狀液滴或大量粉塵的天然氣進行（háng）測量時應注意氣質可能帶來的影響。
在一次使用過程中，我們發現氣體超聲波流量計的流量和標準孔板流量計的流量相比（bǐ）偏高。使用CUI軟件進行氣體超聲波流量計的診斷時發（fā）現D聲道不工作（zuò），檢查後發現，D聲（shēng）道被飽（bǎo）和天然氣中凝析出的液（yè）體（tǐ）淹沒了，導致換能器（qì）不能工作正常，經排除積存在管道中的液體後氣體超聲波流量計恢複正常工作。多（duō）聲道的氣體超聲波流量計能夠在一個聲（shēng）道故障時根據其它聲道測得的流量進行自動補償運（yùn）算，這（zhè）個補償過程使流量計的流量輸出比正常時略有偏高。
天然氣中的粉塵（chén）也對氣（qì）體超聲波流量計的工作性能有影響。我們在使用氣體超聲波（bō）流量計的過程中出現過一次氣體超聲波流量（liàng）計的換（huàn）能器由於粉（fěn）塵堆積而導致（zhì）氣體超聲波流量計工作不（bú）正常的情況。原因是我們的一個上遊的（de）氣體處（chù）理廠開機不正常，分子篩（shāi）中的粉塵被帶入氣體超聲（shēng）波流量計的工作流程中，粉塵在氣（qì）體超聲波流量計*底部的換能器和表體的結合處堆（duī）積，導致氣體超聲（shēng）波流量計的工作不正（zhèng）常（cháng），影響流量計正常工作。
3、氣體超聲波流量計應用中應注意的問題
氣體超聲波流量計測（cè）量天然氣流量的實驗（yàn）數據表明氣體超聲波流（liú）量計的確有很多優點，同時氣體超聲波流量計在使用中應該（gāi）注（zhù）意（yì）以下這些問題：
3.1正確選型（xíng）
任何流量（liàng）計有它自身的測（cè）量範圍，氣體超聲波流量（liàng）計測量範圍很寬（kuān），一般說來*小流量和*大流量比為1:30。氣（qì）體超聲波流量計主要是利用測量天然氣的流速來測量天（tiān）然氣的流量。其理想的（de）工作流速（sù）範圍為（2.7～27）m/s，在這個工作（zuò）範圍（wéi）內，氣體超聲（shēng）波流量計才能保證其檢定時的準確度。天然氣的流量低於氣（qì）體超聲波流量計的流量拐點時，氣（qì）體超聲波流量計的準確度將降低，從而出現較大的誤差。天然氣的流速過高時會（huì）出（chū）現超（chāo）聲（shēng）波信號被（bèi）吹（chuī）跑，換能器檢測不（bú）到（dào）超聲波信號的情況，出（chū）現（xiàn）計量故障。所以，我們在進行氣（qì）體超聲波流（liú）量計的選型時應（yīng）該充分考慮天（tiān）然氣在管道中的流速，避免出（chū）現超低限或超高限（xiàn）運行的情況。
選用氣體超聲（shēng）波流量計作為計量裝置時還應考慮（lǜ）是否（fǒu）存在聲波（bō）幹擾源，主（zhǔ）要指能產生超聲波信號的各種設備，如高速度、大差壓的減（jiǎn）壓設備和消音設備等（děng）。消（xiāo）音設備常常是將人們耳朵能夠（gòu）聽見的聲波轉換成為人耳不能（néng）聽到的超聲波。如果消音設備的（de）超聲波頻（pín）率或減壓設備的超高頻的噪聲與氣體（tǐ）超聲波流量（liàng）計的工作（zuò）頻率接近時將造成超聲波流（liú）量計工作不正（zhèng）常，甚至（zhì）完全不工作，因此，我們選用、安裝氣體超聲波流量計（jì）的時候應該避開存在對流量計產生影響的聲波的場合，亦可采取相應措施減小或消除噪聲。
3.2合理的安裝
氣體超聲波流量計上（shàng）下遊直管段應該滿（mǎn）足要（yào）求，標準推薦上遊直管段*低為10D，下遊*低為（wéi）5D。對於安裝（zhuāng）條件受測量現場限製的場合（hé）應該加裝流動調整（zhěng）器。常見的幾種流動調整器中（zhōng），19管束式流動調整器不適用（yòng）於氣體超聲波流量計，Zanker整流板可（kě）適用於氣體超聲波流量計。
氣（qì）體超聲波流量（liàng）計安（ān）裝方式應該水平（píng）安裝，此外，在天然氣含（hán）液較多的場合，氣體超聲波（bō）流量計（jì）及其計量管段的（de）安裝位（wèi）置不應低於其上下遊管（guǎn）道，使得天然氣中凝析出（chū）來（lái）的液體能夠隨氣流被帶走，而（ér）不在氣體超聲波流量計處堆積，造成計量故障，對於含有大量固體粉塵的（de）天然氣應該在氣體超聲波流量計上遊直管段外加裝過（guò）濾器，否則氣體超聲波流量計會因為換能器表麵沉積物的堆積出現故障。
3.3定期維護
氣體超聲波流量（liàng）計使用過程中需要的維護很少，但（dàn）在氣質（zhì）條件較差的計量場合，應（yīng）定期清洗氣體超聲波流量計的換能器（qì），檢查有無雜質和水（shuǐ）垢等附著換能器表麵，氣體超聲波流量計的各連接件是否泄漏，定期檢（jiǎn）查線路連（lián）接是否正常，定期檢測零流量測量是否準確等。
3.4及時診斷測試
當氣（qì）體超聲波流量計突然出現流量突變時，我們（men）可以利用與（yǔ）氣體超聲波流（liú）量計串聯（lián）運行的其他流量計進行比對校核方法，弄清楚是由於儀表（biǎo）故障還是由於（yú）天然氣流（liú）量的確發生了變化。如沒有其他流量計作比對，我們可以用（yòng）氣體超聲波流（liú）量計的診斷軟件檢查氣體（tǐ）超（chāo）聲波流量計的各個換能器的工（gōng）作參（cān）數，看是（shì）否有異常參數值。在超聲波流量計使用數量多的場（chǎng）合應該考慮購買便攜的外夾式超聲波流量計，以便**可以對固定安裝的超聲波流量計進行校核。
在作者（zhě）趙毅看（kàn）來，氣體超（chāo）聲波流量計作為新型的計量（liàng）性（xìng）能優異（yì）的儀表，使用（yòng）越來（lái）越廣泛，而且技術更新很快，隻有充分掌握氣體超聲波流量計的工（gōng）作原（yuán）理和性能，才能更好地了解它，使用它，讓它更好地服（fú）務於我（wǒ）們天然氣計量。