气体超声波流量计在天然气计量中的应用
气体超声波流量计是二十世纪九十年代后期才成熟起来的一种新型流量计，它具有无可动部件、无阻力件、无压损、量程比宽、准确度高、全自动化、可测量双向流、含液流等特点。近几年在天然气计量领域得到迅猛发展。气体超声波流量计作为一种新型流量计，其真正的计量性能有待于研究证实。
根据检测的方式，气体超声波流量计可分为传播时间差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法等不同类型的气体超声波流量计。其中在气体超声波领域用得*多的是传播时间差法，即时差式气体超声波流量计。
1、时差式气体超声波流量计的工作原理
时差式气体超声波流量计的是利用超声波在气体中沿顺流传播的时间和沿逆流传播的时间差与气体流速成正比这一原理来测量气体流量的。工作原理见图1。
图1中，气体超声波流量计的换能器Ａ和换能器Ｂ装在管道两侧，超声波的声程长度为Ｌ，超声波传播的方向与流体在管道中的流动方向夹角为θ，超声波在流体中的顺流传播时间为ｔＤ，逆流传播时间为ｔＵ。
从式（3）中可以看出，气体的流速测量与介质的声速无关，只与长度和时间两个参数有关。气体超声流量计测量原理是长度与时间两个基本量的结合，其导出量时间和长度的溯源性好，溯源准确度高，超声波流量计能够有很高的计量准确度。并能够以此建立流量基准。
2、气体超声波流量计在天然气流量计量中的应用
天然气流量计量是一个复杂的多参数测量过程，在研究时要保证测量准确性需要有相应的流量比对装置。在本实验研究中，我们将气体超声波流量计与一套标准孔板流量计串联运行，使我们的实验数据更加有效，更有说服力。我们选用的是美国丹尼尔公司生产的四声道气体超声波流量计，管道内径是300mm，流量范围（工作状态下）：240～6405m3/h，其在标准状况下*大、*小流量见表1。
气体超声波流量计在实验流程示意图见图2。标准孔板流量计的计量管径305mm，孔板内径130.079mm。
2.1噪声对气体超声波流量计准确度影响
GB/T18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》中提到来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声波流量计的测量准确度带来不利的影响。噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。我们采用气体超声波流量计上游阀门1节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当阀门1全开，用阀门2控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差基本保持不变。实验数据见表2和表3。
从表2和表3中可以看出，当采用上游阀门1节流的时候，气体超声波流量计的信噪比明显低于上游阀门全开的时候。这是因为，当气体超声波流量计上游阀门节流时除了能产生我们能听到的声音外还能产生人耳无法听到高频超声波，当这种声波的频率与气体超声波流量计的工作频率相近时气体超声波流量计信噪比降低，从而影响流量计的测量准确度。
2.2流态对气体超声波流量计的影响
GB/T18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》要求气体超声波流量计上游直管段*少为10D，下游直管段至少为5D，以保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布。计量管路中的阀门、空间弯头等阻流件会对天然气的速度分布产生影响，从而影响测量的准确度。图3是气体超声波流量计的声道分布示意图，沿管道横截面由上到下平行分布四个声道。气体超声波流量计通过对各个声道测得的流速进行加权平均得到管道中气体的平均流速。
表4和表5是气体超声波流量计在阀门1节流、阀门1全开测得的气体流态在管道中的分布情况。
从图3、表4和表5可以看出，当阀门1节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波A、D声道的流速大于B、C通道的流速。随着流量的增大管道内气体的流速由分布逐渐变成分布，即沿管壁的气体流速由低于管道中心气体流速变成高于管道中心气体流速。当上游阀门全开的时候，没有对气流产生阻挡，随着流量的增大，管道内气体的流速分布变化不大，始终保持分布，符合标准规定的流态。因为当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
2.3气质对气体超声波流量计的影响
气体超声波流量计对于我们来说是一个全新的流量计，我们以前只是从理论上对其有一定的认识，而对它的实际工作性能并不了解。我们知道气体超声波流量计对气质条件要求不严格，可用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的大多数清洁均质液体的流量。我们在用气体超声波流量计在对含有饱和水蒸汽、雾状液滴或大量粉尘的天然气进行测量时应注意气质可能带来的影响。
在一次使用过程中，我们发现气体超声波流量计的流量和标准孔板流量计的流量相比偏高。使用CUI软件进行气体超声波流量计的诊断时发现D声道不工作，检查后发现，D声道被饱和天然气中凝析出的液体淹没了，导致换能器不能工作正常，经排除积存在管道中的液体后气体超声波流量计恢复正常工作。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道故障时根据其它声道测得的流量进行自动补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
天然气中的粉尘也对气体超声波流量计的工作性能有影响。我们在使用气体超声波流量计的过程中出现过一次气体超声波流量计的换能器由于粉尘堆积而导致气体超声波流量计工作不正常的情况。原因是我们的一个上游的气体处理厂开机不正常，分子筛中的粉尘被带入气体超声波流量计的工作流程中，粉尘在气体超声波流量计*底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常，影响流量计正常工作。
3、气体超声波流量计应用中应注意的问题
气体超声波流量计测量天然气流量的实验数据表明气体超声波流量计的确有很多优点，同时气体超声波流量计在使用中应该注意以下这些问题：
3.1正确选型
任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来*小流量和*大流量比为1:30。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2.7～27）m/s，在这个工作范围内，气体超声波流量计才能保证其检定时的准确度。天然气的流量低于气体超声波流量计的流量拐点时，气体超声波流量计的准确度将降低，从而出现较大的误差。天然气的流速过高时会出现超声波信号被吹跑，换能器检测不到超声波信号的情况，出现计量故障。所以，我们在进行气体超声波流量计的选型时应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限或超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如高速度、大差压的减压设备和消音设备等。消音设备常常是将人们耳朵能够听见的声波转换成为人耳不能听到的超声波。如果消音设备的超声波频率或减压设备的超高频的噪声与气体超声波流量计的工作频率接近时将造成超声波流量计工作不正常，甚至完全不工作，因此，我们选用、安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合，亦可采取相应措施减小或消除噪声。
3.2合理的安装
气体超声波流量计上下游直管段应该满足要求，标准推荐上游直管段*低为10D，下游*低为5D。对于安装条件受测量现场限制的场合应该加装流动调整器。常见的几种流动调整器中，19管束式流动调整器不适用于气体超声波流量计，Zanker整流板可适用于气体超声波流量计。
气体超声波流量计安装方式应该水平安装，此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超声波流量计处堆积，造成计量故障，对于含有大量固体粉尘的天然气应该在气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积出现故障。
3.3定期维护
气体超声波流量计使用过程中需要的维护很少，但在气质条件较差的计量场合，应定期清洗气体超声波流量计的换能器，检查有无杂质和水垢等附着换能器表面，气体超声波流量计的各连接件是否泄漏，定期检查线路连接是否正常，定期检测零流量测量是否准确等。
3.4及时诊断测试
当气体超声波流量计突然出现流量突变时，我们可以利用与气体超声波流量计串联运行的其他流量计进行比对校核方法，弄清楚是由于仪表故障还是由于天然气流量的确发生了变化。如没有其他流量计作比对，我们可以用气体超声波流量计的诊断软件检查气体超声波流量计的各个换能器的工作参数，看是否有异常参数值。在超声波流量计使用数量多的场合应该考虑购买便携的外夹式超声波流量计，以便**可以对固定安装的超声波流量计进行校核。
在作者赵毅看来，气体超声波流量计作为新型的计量性能优异的仪表，使用越来越广泛，而且技术更新很快，只有充分掌握气体超声波流量计的工作原理和性能，才能更好地了解它，使用它，让它更好地服务于我们天然气计量。
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