通常情況下, 氣體超聲流量計由流量計本體、超聲換能器、電子數據處理單元等構成。換能器通常直接與氣體接觸, 并承受氣體壓力, 超聲脈沖通過換能器發射, 一般而言, 在流動氣體內的相同行程范圍內, 依據逆流和順流2個超聲信號的傳播時間對沿聲道的氣體平均流速進行綜合評定, 再通過公式計算出氣體流量。和其他類型的計量儀表類似, 超聲波氣體流量檢測技術在其具體的應用過程中會受到各種類型的因素干擾, 為了有效的保證檢測結果的精準度, 特別需要注意噪聲、臟污、壓力和溫度測量準確度造成的影響。

  一般而言, 流量計入口處流體速度分布的畸變程度、流量計對畸變的補償能力和流量計的測量誤差大小有著非常重要的關系。所以, 氣體超聲流量計相鄰管段上各種阻流件的應用和前后的管段安裝都和流量計有著不同程度的關系。[1]

  在流量計上下游安裝一定長度的直管段可降低不良流態對測量結果的影響, 從準確計量的角度來看, 直管段越長, 計量性能改善越好。但受場地限制、材料運輸、施工成本等諸多因素限制, 又只能越短越好。GB/T 18604-2014中指出:“如果制造廠未提供流量計上、下游直管段長度要求和流動調整器的安裝要求時, 或者用戶無法提供預期的安裝條件時, 不帶流動調整器的情況下, 流量計上游至少需要50D的直管段;帶有流動調整器的情況下, 流量計上游至少需要30D的直管段, 且流動調整器宜安裝在流量計上游10D處。流量計下游直管段長度至少應為5D。”[2]

  在計量裝置設計和安裝的初期, 通常就會考慮高速氣體通過管道系統中整流器和閥門等各種類型阻流管件時造成的噪聲干擾, 然而因為現場工況條件不斷變化 (如:流量、壓力、溫度) 、壓縮機補貼功率下的噪聲振動等不可預見的各類因素使得噪聲大小難以確定。

  現階段, 我國天然氣計量系統的噪聲污染源主要有:匯管、壓縮機、整流器、節流閥和調節閥等, 在這些影響因素中, 節流閥和調節閥等節流構件造成的噪聲污染對超聲流量計的影響***為普遍。基于超聲流量計的工作原理, 如若保持超聲流量計和噪聲流量計的工作頻率的范圍相同, 就會對超聲波脈沖的探測產生干擾, 對傳輸時間的測量產生影響, 致使體積流量的監測不, 產生誤差。

  通常情形下, 調壓前后的壓力相差越大, 流體的速度變化就會越大, 相應流場產生的擾動就會越大, 造成的噪聲也就越大。所以, 為了有效的避免噪聲污染, 可以采取“多支路供氣、分級調壓”的調控措施, 以此實現控制噪聲的目的。通常情況下, 節流閥和調節閥等節流構件造成的噪聲, 受到氣體流向的影響, 其中大部分噪聲能量會被傳播至節流件的下游, 僅極少一部門噪聲會逆流向上進行傳播, 在這種情況下, 可以采取“計量在前、調壓在后”的安裝方式, 以此來降低流量計造成的噪聲。在噪聲源和超聲流量計之間安裝直管段、90°彎頭、T型管等可在一定程度上降低噪聲的影響。不同管件的降噪能力見表1。

  含水、粉塵、油污和其它臟污的天然氣流經超聲流量計時, 會逐漸堆積在流量計表體管道內或超聲波探頭上, 對超聲流量計計量準確程度造成嚴重的影響, 總體來說, 主要表現在以下幾個方面:

(1) 附著在超聲波探頭上的雜質縮短了脈沖信號在管道內的傳輸時間, 會使流量計讀數偏高;或影響超聲波探頭的靈敏性, 也會對流量計產生較大影響。

(2) 由于雜質的附著, 導致流量計上游直管段和表體內壁粗糙度的變化或整流板的堵塞造成氣體流態發生變化, 可能會對流量計的穩定性和準確度造成影響。

一般而言, 各個廠家生產的超聲流量計聲道布置不同、數量不同, 致使探頭對臟污堆積的敏感程度之間存在差異。容易證明, 臟污堆積對口徑更小的超聲流量計的影響更大。

  通常情形下, 超聲流量計計量系統由流量計、流量計算機及配套的在線組分分析儀、溫度變送器、壓力變送器等部分構成, 通過輸入溫度、組分和壓力等參數, 流量計算機可以把流量計的工況流量通過協議轉換為用于貿易交接的標準參比條件下的體積流量, 它的計量公式如下所示:

式 (1) 中:f代表工況條件下, b代表標準參比條件。

基于公式 (1) , 可以得到計量系統的準確度和壓力、溫度的測量的準確性密切相關。

按照計量法的相關標準, 在現場使用的壓力和溫度測量儀表均會按期送往當地計量檢定院檢定、校準, 但現場儀表通常曝曬于陽光下, 其工作溫度與實驗室校準溫度差異較大, 仍然會出現流量計算機的溫度或者壓力示值不準確的情況。

通過分析國內進行的某些流體實驗, 可以得知, 溫度變送器可以在它銘牌注明的工作溫度范圍之內正常運行, 然而在實驗室校準溫度和室外環境差異非常大的情況下, 它的壓力測量值和進行了防曬保護的溫度變送器測量值之間的差值可以達到18~20k Pa之間。所以, 保證壓力和溫度測量儀表的準確、可靠顯得尤為重要。

  為提前預防儀表損壞、消除儀表故障, 須對儀表進行定期檢測。目前, 很多超聲流量計的生產廠商都開發了對應的檢測軟件, 可以實時的檢測超聲流量計的增益值、聲速、信噪比和管道天然氣的流態、流速等相關的重要參數。各單位的計量工程師在實際運用這些軟件時, 必須定期對超聲流量計的工作狀態進行檢查, 并且依據相關參數的變化情況, 對流量計可能出現的問題及是否正常的狀態進行相應的判斷, 如噪聲干擾、超聲波探頭臟污、流態分布不均勻等。同時檢查各連接件是否泄露, 線路連接是否正常, 零流量測試是否準確等。[4]

  加強對天然氣氣質的檢測, 確定合理的流量計清污周期。若發現內部腐蝕較明顯, 應對其重新校準, 因僅清洗會導致流量計的內徑變大, 但是內徑的平方和流量成正比關系, 因此測量出的流量會比實際流量小, 造成計量偏小。

  儀表選型時, 應根據實際運行壓力、溫度, 選擇合適的儀表量程, 避免儀表的工作范圍在量程的10%以下。定期對現場的溫度、壓力儀表進行查校和相關的維護保養, 保證其示值誤差符合精度要求。對室外儀表安裝防曬裝置, 避免環境溫度接近或者超出其設計工作溫度。

  氣體超聲流量計作為計量性能優異的儀表, 隨著計量準確度的進一步提高, 在天然氣計量中的應用將更加廣泛。只有充分掌握其影響因素和解決措施, ***好在設計選型初期就嚴格把關, 以便更好地使用與維護, 更好地服務于天然氣計量。當然, 國產超聲流量計也逐漸興起, 期待其技術成熟后全面推廣應用。