超聲波流量計(jì)在天然氣輸配工程中的應(yīng)用

【摘要】對(duì)天然氣超聲波流量計(jì)測(cè)量原理進(jìn)行介紹，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例對(duì)流量計(jì)的基本安裝要求、投運(yùn)、故障排查與維護(hù)處理、使用須知等事宜進(jìn)行闡述，為流量計(jì)在行業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】天然氣；超聲波；流量計(jì)；安裝；投運(yùn)；故障分析

氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可測(cè)量的介質(zhì)種類(lèi)多，對(duì)氣質(zhì)的要求較低，流量計(jì)本身壓力損損耗小，測(cè)量量程較寬，超聲波流量計(jì)在貿(mào)易結(jié)算計(jì)量中的應(yīng)用越來(lái)越多。

1、氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

超聲波脈沖在氣流中的傳播速度與氣體的流速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，超聲波脈沖在順流中的傳播速度比在逆流中的傳播速度快。順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差越大，表示流量也越大。氣體超聲波流量計(jì)就是利用這個(gè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，上下游的超聲波換能器同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖，一個(gè)與管道內(nèi)氣流方向相同，另一個(gè)方向相反。2束超聲波脈沖將以不同的傳播時(shí)間到達(dá)對(duì)應(yīng)的接收裝置。脈沖傳輸距離相同但傳輸時(shí)間不同，反映出管道內(nèi)氣體流速的大小。超聲波流量計(jì)由表體，信號(hào)處理裝置，換能裝置和流量計(jì)算機(jī)組成，高精度氣體流量計(jì)一般采用交叉反射方式布置聲道或采用平行對(duì)稱(chēng)方式布置聲道。

隨著測(cè)量精度和需求的不同，常選用3聲道、4聲道及目前最高的5聲道產(chǎn)品。

2 管路安裝及投運(yùn)要求

2.1管路安裝

目前，對(duì)超聲流量計(jì)安裝要求的試驗(yàn)研究還十分有限，《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》（GB/T18604-2001）中也僅是給出流量計(jì)上、下游最短直管段長(zhǎng)度的推薦值，即上游工藝條件較理想，管道內(nèi)氣體單向流動(dòng)時(shí)，要求上游直管段長(zhǎng)度要大于10倍內(nèi)徑（用10D表示），下游直管段長(zhǎng)度應(yīng)大于5D。管道內(nèi)氣體雙向流動(dòng)時(shí)，要求上、下游的直管段長(zhǎng)度都應(yīng)大于10倍流量計(jì)內(nèi)徑。

根據(jù)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：50809075）的研究成果[3]，DN100超聲波流量計(jì)在無(wú)整流器的管路結(jié)構(gòu)中，其上游匯管進(jìn)出口錯(cuò)開(kāi)時(shí)較匯管進(jìn)出口相對(duì)時(shí)對(duì)下游的擾動(dòng)強(qiáng)約3～5倍，實(shí)驗(yàn)表明，匯管進(jìn)出口相對(duì)且無(wú)整流器管路的流量計(jì)前直管段安裝長(zhǎng)度至少為19倍管徑，在有整流器的管路結(jié)構(gòu)中，經(jīng)整流器劇烈混合后的天然氣在匯管進(jìn)出口相對(duì)與錯(cuò)開(kāi)兩種管路的情況下流動(dòng)10倍管徑距離后恢復(fù)均勻，擾動(dòng)明顯減弱。在上游匯管進(jìn)出口錯(cuò)開(kāi)的管路結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)情況明顯強(qiáng)于匯管進(jìn)出口相對(duì)管路，匯管內(nèi)的天然氣會(huì)因管路結(jié)構(gòu)、速度等因素的變化產(chǎn)生擁塞、回流，使天然氣的擾動(dòng)增強(qiáng)、分布不均勻，甚至發(fā)生匯管出口冰塞， 但經(jīng)過(guò)整流器的整流后，流量計(jì)處的擾動(dòng)已幾乎消除，但實(shí)驗(yàn)并未明確表前直管段長(zhǎng)度。

筆者認(rèn)為，以上實(shí)驗(yàn)僅代表個(gè)例，不能以點(diǎn)帶面，很顯然大口徑管道內(nèi)的氣體流態(tài)與小管徑管道不同，流量計(jì)的流動(dòng)狀態(tài)，要通過(guò)群體性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用很高，制約了成果深化，設(shè)備選型及安裝主要依據(jù)廠(chǎng)家的意見(jiàn)確定。

超聲流量計(jì)表體安裝各廠(chǎng)家要求不同，一般應(yīng)保證表體水平安裝， 有的還應(yīng)將表體法蘭上定位銷(xiāo)孔與上、下游直管段相應(yīng)銷(xiāo)孔對(duì)齊，同時(shí)要求上下游直管段必須隨表定制。安裝時(shí)應(yīng)留有足夠的檢修空間及比對(duì)管路。超聲流量計(jì)的內(nèi)徑、連接法蘭及其緊鄰的上、下游直管段應(yīng)具有相同的內(nèi)徑，偏差應(yīng)在管徑的±1%以?xún)?nèi)；與超聲流量計(jì)匹配的直管段，其內(nèi)壁應(yīng)無(wú)銹蝕及機(jī)械損傷，應(yīng)除去超聲流量計(jì)及其連接管內(nèi)的防銹油或沙石灰塵等物。使用中也應(yīng)隨時(shí)保持介質(zhì)流通通道的干凈、光滑。對(duì)單向流測(cè)量，應(yīng)將溫度計(jì)插孔設(shè)在超聲流量計(jì)下游距法蘭端面2-5D之間；對(duì)雙向流進(jìn)行測(cè)量，溫度計(jì)插孔應(yīng)設(shè)在距超聲流量計(jì)法蘭端面至少3D的位置。

2.2超聲波流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝

流量計(jì)正式運(yùn)行前應(yīng)按國(guó)標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定或?qū)嵙餍?zhǔn)。檢查各種信號(hào)線(xiàn)電源線(xiàn)是否連接牢靠。溫度傳感器、壓力探頭和法蘭連接處不能有泄漏。按照系統(tǒng)接線(xiàn)圖檢查所有連接點(diǎn)。注意流量計(jì)最大流速限制，流量計(jì)在正式使用前要求進(jìn)行零流量檢測(cè)，如果現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有條件應(yīng)進(jìn)行工況條件下的測(cè)試（首先關(guān)閉流量計(jì)的上、下游閥門(mén)，管道內(nèi)氣體呈靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)氣體溫度相對(duì)穩(wěn)定后再讀流速測(cè)量值，且要求每個(gè)聲道記錄時(shí)間不少于30s，讀數(shù)值應(yīng)小于12mm/s）。

3、故障檢查與處理方法

3.1無(wú)流量數(shù)值顯示

故障分析：可能原因是電源連接線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)纜、連接接頭存在斷路或接觸不良現(xiàn)象，換能裝置或顯示單元損壞。

處理方法：查看設(shè)備故障代碼表，逐步檢測(cè)落實(shí)；檢查線(xiàn)纜、接頭連接情況，確保連接正確可靠；查看換能裝置或顯示單元是否損壞，按要求更換損壞器件。

3.2測(cè)量容許誤差超標(biāo)

故障分析：管道的運(yùn)行狀態(tài)以及流量計(jì)的安裝有可能沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求；管道內(nèi)壁存在銹蝕情況或者管道內(nèi)潔凈程度不達(dá)標(biāo)；流量計(jì)兩端的直管段長(zhǎng)度沒(méi)有滿(mǎn)足安裝要求；氣體組分發(fā)生了變化等。

處理方法：去除附著物或更換管道；管道內(nèi)出現(xiàn)堆積物時(shí)被測(cè)流體的截面積變小，測(cè)量的流量偏大，要去除堆積物或更換到其他地點(diǎn)安裝；氣體組分變化是否較大，尤其是硫化氫、二氧化碳等重組分變化是否較大等。

3.3在靜止?fàn)顟B(tài)下，流量數(shù)值不為零

首先應(yīng)檢查流量計(jì)閥門(mén)是否確實(shí)關(guān)閉；管道內(nèi)是否存在氣體對(duì)流；初始參數(shù)是否正常。

處理方法：確定閥門(mén)完全關(guān)閉；大口徑管道內(nèi)部空間較大，管道內(nèi)氣體可能存在較大溫差，有可能產(chǎn)生管道內(nèi)對(duì)流，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整靜止?fàn)顟B(tài)零點(diǎn)參數(shù)來(lái)解決。

4、實(shí)際應(yīng)用案例

案例：某長(zhǎng)輸管道輸氣站采用DN250的超聲流量計(jì)，進(jìn)行計(jì)量后向省管網(wǎng)供氣，最大工作壓力為10MPa。進(jìn)站壓力為5.4MPa，出站壓力為2.5MPa，流量計(jì)安裝正確。投產(chǎn)初期，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)計(jì)數(shù)與下游管網(wǎng)首站同類(lèi)型超聲流量計(jì)偏差超過(guò)10%。由于投產(chǎn)前用水作為試壓介質(zhì)對(duì)管道進(jìn)行了通球清管。試壓、清管結(jié)束后未干燥徹底，管道內(nèi)殘留部分濕空氣。站內(nèi)管道裸露在空氣中，且輸氣壓力較高，導(dǎo)致管道內(nèi)積水結(jié)冰。通過(guò)注醇、在裸露管道上增加保溫層、清管，降低了天然氣的水露點(diǎn)，提高管內(nèi)氣體溫度，減少了管道內(nèi)積水，有效解決了冰堵，使流量計(jì)測(cè)量誤差控制在雙方商定范圍之內(nèi)。

5、實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

（1）使用超聲波流量計(jì)應(yīng)保持超聲波探頭清潔，信噪比如果太接近界限值，計(jì)量誤差會(huì)很大，表體前后的直管段清潔程度也會(huì)影響計(jì)量結(jié)果。

（2）用于貿(mào)易結(jié)算的超聲波流量計(jì)以及相關(guān)的二次儀表，應(yīng)該依據(jù)相關(guān)要求按一定周期檢定。

（3）如果管道內(nèi)氣體溫度太高（100℃以上），或在大口徑管道中氣體壓力極低（低于0.1MPa），流速也極低（小于0.5mm/s）情況下，超聲波流量計(jì)不適用。

（4）多氣源混合產(chǎn)生的差值，可使用在線(xiàn)式色譜分析儀，對(duì)天然氣組分含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)值，修正誤差提高檢測(cè)精度。

參考文獻(xiàn)

[1]黃黎明，陳賡良，張福元等.天然氣能量計(jì)量理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

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