氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)性能影響因素分析

董林虎 欒萬(wàn)龍 陳秀秀 曹杰

【摘要】超聲波流量計(jì)在大管徑天然氣計(jì)量中具有突出的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)性能影響因素的分析，闡述噪音、雜質(zhì)、氣質(zhì)、組分、安裝等方面對(duì)天然氣計(jì)量帶來(lái)的誤差，找出形成誤差的根本原因，改變目前超聲波流量計(jì)使用性能不達(dá)標(biāo)的狀況，使超聲波流量計(jì)得到更好的運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】超聲波流量計(jì) 影響因素 準(zhǔn)確性 應(yīng)用 管理

1 天然氣超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)及其原理

目前被廣泛采用超聲波流量計(jì)系統(tǒng)都在流量計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的情況下，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)條件下體積量。天然氣超聲波計(jì)量系統(tǒng)以天然氣超聲波流量計(jì)為核心，以壓力變送器、溫度變送器、在線色譜分析儀、流量計(jì)算機(jī)為輔助計(jì)量設(shè)備構(gòu)成（圖1）。圖1 天然氣超聲波計(jì)量系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)

成

超聲波流量計(jì)信號(hào)處理單元通過(guò)計(jì)算流量計(jì)筒體中天然氣的流速，測(cè)的天然氣工況條件下的流量；在線色譜分析儀、壓力變送器、溫度變送器分別測(cè)量天然氣的組分、工況壓力和溫度；流量計(jì)算機(jī)接收工況流量、組分、壓力、溫度參數(shù)，計(jì)算得到標(biāo)況體積流量和總累積量，并上傳至站控系統(tǒng)。

2 計(jì)量系統(tǒng)主要的影響因素 2.1 噪音對(duì)超聲信號(hào)和計(jì)量的影響

超聲波流量計(jì)工作是基于超聲波在不同介質(zhì)和不同流向的介質(zhì)中速度差異進(jìn)行計(jì)量。超聲波在通道中傳播時(shí)間是流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)算主要參數(shù)之一，超聲換能器對(duì)超聲波的收發(fā)和超聲波在天然氣中的衰減直接決定了傳播時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確性。在流量計(jì)運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)致超聲信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題的原因有：環(huán)境和超聲噪音；超聲信號(hào)衰減；管段內(nèi)出現(xiàn)多相流動(dòng)；流體密度不均勻；換能器污染或者故障。

超聲信號(hào)對(duì)計(jì)量影響主要體現(xiàn)在：調(diào)壓閥和節(jié)流裝置產(chǎn)生的噪聲，均為寬頻噪音，高頻部分隨著節(jié)流裝置前后壓差和流量增加而增加，容易和超聲波流量計(jì)所使用頻率（80—250）kHz出現(xiàn)交叉，影響超聲信號(hào)傳輸和傳輸輸時(shí)間的檢測(cè)，降低計(jì)量準(zhǔn)確度。某站場(chǎng)在流量計(jì)下游安裝了調(diào)壓閥，對(duì)調(diào)壓閥節(jié)流過(guò)程中的噪音進(jìn)行了對(duì)比，下面是關(guān)閉超聲波流量計(jì)CMB噪音過(guò)濾功能和啟動(dòng)CMB噪音過(guò)濾功能情況下測(cè)得的聲速值。受下游調(diào)壓閥噪音干擾，超聲波在傳播過(guò)程中出現(xiàn)跳動(dòng)、不規(guī)則傳播等現(xiàn)象，所測(cè)量的聲速值跳動(dòng)，流量計(jì)無(wú)法正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)噪音過(guò)濾，四個(gè)聲道都能正常傳輸。2.2 流量計(jì)安裝對(duì)計(jì)量的影響

超聲波流量計(jì)具有準(zhǔn)確性能好、可靠性高、方便與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)流量計(jì)設(shè)備的尺寸和安裝提出了更高的要求。已有單位使用法國(guó)FLUTE公司生產(chǎn)的UF321型便攜式流量計(jì)測(cè)試了安裝尺寸誤差對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響，試驗(yàn)表明：當(dāng)傳感器之間的安裝距離的相對(duì)誤差為4.7%時(shí)，流量相對(duì)誤差為10.7%；管道內(nèi)徑相對(duì)誤差為-3.3%時(shí)，流量相對(duì)誤差為-5.5%。此外超聲波流量計(jì)換能器、型號(hào)處理單元等配件的安裝質(zhì)量直接影響到設(shè)備運(yùn)行。某計(jì)量站流量計(jì)安裝運(yùn)行后，由于第二聲道探頭接線松動(dòng)引起該聲道聲速值偏小，導(dǎo)致流量計(jì)運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)流量跳變，無(wú)法正常計(jì)量。

由于運(yùn)行過(guò)程中換能器信號(hào)線受到干擾，所測(cè)得的結(jié)果偏低，使得計(jì)量系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量。根據(jù)超聲波流量計(jì)特性，流速沿軸線均勻分布的流態(tài)能提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以在流量計(jì)上下游安裝足夠長(zhǎng)直管段。一般要求上游安裝5-10倍管徑的直管段，下游安裝3-5倍管徑的直管段。

2.3 溫度、壓力誤差對(duì)計(jì)量的影響

在氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)中，壓力、溫度的測(cè)量都是由現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)傳儀表完成測(cè)量，該數(shù)值直接參與到流量計(jì)算中。從公式來(lái)看，所測(cè)得壓力和溫度直接影響流量計(jì)量結(jié)果，壓力偏高，流量偏高；溫度偏高，流量偏低?，F(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)傳儀表都在按照國(guó)家要求和用戶需要進(jìn)行檢定，但是隨著工作環(huán)境的變化、被測(cè)介質(zhì)的變化，所測(cè)量結(jié)果都會(huì)發(fā)生偏差，因此為保證流量計(jì)量的準(zhǔn)確性，一定要保證所使用壓力、溫度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確、可靠。

3 提高超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)性能措施3.1 加強(qiáng)流量計(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)

超聲波流量計(jì)都配套設(shè)置自診斷系統(tǒng)，可以通過(guò)診斷數(shù)據(jù)來(lái)判斷設(shè)備使用情況。在運(yùn)行中，可以定期進(jìn)行超聲波聲速核查，實(shí)際測(cè)得聲速和計(jì)算聲速差值不得超過(guò)±0.2%；觀察效率因子，必須接近于100%（一般不能低于90%），在高流速的情況下，效率因子有可能會(huì)低于60%；在正常運(yùn)行時(shí)，瞬時(shí)流量應(yīng)該保持平穩(wěn)，出現(xiàn)突變或者高頻率大幅度正負(fù)跳變時(shí)說(shuō)明流量計(jì)運(yùn)行不穩(wěn)定或者失準(zhǔn)；電壓增益值數(shù)值應(yīng)該較為穩(wěn)定，增加幅度不大，當(dāng)增益值明顯升高時(shí)，表示信號(hào)的接受強(qiáng)度開(kāi)始減弱。

3.2 減少超生噪音

在運(yùn)行過(guò)程中，盡量保證流量計(jì)前后閥門全開(kāi)，使用下游調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。這是因?yàn)椋?dāng)氣體超聲波流量計(jì)上游閥門節(jié)流時(shí)除了能產(chǎn)生我們能聽(tīng)到的聲音外還能產(chǎn)生人耳無(wú)法聽(tīng)到高頻超聲波，當(dāng)這種聲波的頻率與氣體超聲波流量計(jì)的工作頻率相近時(shí)氣體超聲波流量計(jì)信噪比降低，從而影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

3.3 保證被測(cè)介質(zhì)流速均勻，工況穩(wěn)定

在運(yùn)行時(shí)盡量保持被測(cè)介質(zhì)流速、流量、壓力都比較穩(wěn)定，并且符合在流量計(jì)運(yùn)行條件。當(dāng)壓力較低時(shí)，流體容易發(fā)生流動(dòng)狀態(tài)變化和流態(tài)轉(zhuǎn)換，在流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，超聲換能器穿越不同流態(tài)介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。廠家建議4聲道氣體超聲流量計(jì)運(yùn)行壓力在2MPa以上。在清管作業(yè)期間或者管線需要注醇時(shí)，盡量避免流量計(jì)運(yùn)行。當(dāng)有大量的含水天然氣或者帶有較多不均勻甲醇的天然氣流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，所測(cè)得的氣質(zhì)組分、流量等都會(huì)有較大的誤差，影響計(jì)量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604 用氣體超聲波流量測(cè)量天然氣流量

[2] 姚新益，超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)及誤差分析，計(jì)量技術(shù)，1999.No8

[3] 楊聲將，等.超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)性能的主要影響因素[J].天然氣工業(yè)，2006，26（3）

[4] 閔偉，等.天然氣組分變化對(duì)流量計(jì)量的影響，2006年全國(guó)流量測(cè)量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集