超聲波流量計是一種以速度差法為原理所設計的一種液體流量測量儀器, 其采用了先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術以及糾錯技術, 可以被廣泛應用于各類工業現場的環境中, 具有計量方便、準確以及經濟實惠等多種優點[1]。從使用功能和特點來看, 超聲波流量計利用信號數字化的處理技術, 可以進一步確保測量信號的穩定性, 提高了測量的抗干擾能力, 有利于提高計量的精準度, 且超聲波流量計內的無機械傳動部件不容易損壞且不需要進行后期維護, 使用周期長。

  為了滿足天然氣貿易交接計量的精度要求, 在對其計量方式進行選擇時必須選擇超聲波流量計。目前, 市場中常見的超聲波流量計主要包括2、4、5以及6聲道技術, 2聲道流量計僅可用于精準度要求為1%的計量中, 4和5聲道流量計的精度可以精準到0.5%, 而6聲道流量計的精度則可以精準到0.25%, 多以4和5聲道流量計的應用相對較多, 但隨著近年來6聲道流量計技術水平的不斷提升, 其逐漸被廣泛應用于實際應用中, 并發揮出較好的應用效果。6聲道超聲波流量計主要使用了3個平面的6個聲道進行測量, 在高斯-切比雪夫理論下記性排列, 即使在不對稱或者渦流的情況下也均可以實現對流速的有效測量。

  從計量原理來看, 超聲波流量計可以使聲脈沖在管道內實現逆流和順流的傳播, 通過對傳播時間的測量, 以此來計算出其在工作條件下通過氣體超聲流量的氣體軸向平均流速和流量, 工作原理見圖1。

  圖1所示為單聲道超聲波的工作原理圖, 其中L表示直線傳播的距離, x表示垂直傳播的距離, D則表示管徑, 聲脈沖的傳播時間可使用以下公式進行計算:

  公式中, t1表示反向傳輸時間, t2表示正向傳輸時間, v表示天然氣流體速度, c表示聲速, 根據上述公式進行轉變, 可進一步得出天然氣流體速度和聲速公式如下:

  天然氣施工過程中的瞬間體積流量qvf的計算公式如下:

  其中, qvf表示當前工況條件下天然氣的瞬間體積流量, π (D/2) 2表示管道的橫截面積, 通過對公式的進一步轉變可以得出qvf的計算公式如下:

  其中, qvn用于表示標準參比條件下天然氣產生的瞬間體積流量, Pn表示標準參比條件下產生的壓力, Pf表示工作條件下的靜壓力, Tn表示標準參比條件下產生的熱力學溫度, Tf表示工作條件下的熱力學溫度, Zn表示標準參比條件下產生的壓縮因子, Zf表示工作條件下的壓縮因子。

  (1) 安裝溫度:從安裝的溫度條件來看, 溫度計的安裝應當在-20℃~60℃的環境下, 工作環境應當保證在-40℃~60℃, 在實際安裝的過程中, 應當結合具體的施工環境采取相應的防曬或防凍措施。 (2) 安裝環境:在安裝超聲波流量計時, 盡量避免在振動的環境下安裝, 尤其是可以導致信號處理單元等出現共振的環境, 同時也應當避免可能存在的電器噪聲環境。 (3) 注意事項:a超聲波信號電纜與具有強電場以及強磁場電器設備與電纜之間的距離必須超過1.5m, 若設備或電纜帶有屏蔽的穿金屬保護管時, 二者之間的距離則必須超過0.8m;b電纜的鋪設必須嚴格按照工程的操作規范施工, 使埋地鋪設的深度必須超過70cm且需要埋于凍土層下方;c自動計量系統必須根據工程的實際情況, 將其設置為保護接地或信號回路接地等接地方式, 確保接地方式的可靠性, 使接地電阻符合工程的標準要求;d流量計或儀表的安裝必須嚴格按照工程的施工標準, 以免出現由于安裝不規范所造成的測量誤差;e減少安裝過程中聲學噪聲對測量結果或性能產生的影響, 盡量將流量計安裝于調節閥的上游處, 減少其他噪音對流量計量結果產生影響, 或通過于下游管段安裝彎管的方式, 利用緩沖的氣量流速以此來減少噪音對計量結果產生的影響;f安裝前仔細檢查流量計附近是否存在可能的流動脈動, 并采取相應的措施減少脈動對測量結果產生的影響, 減少測量結果的不確定性。

  根據超聲波流量計的具體測量方法以及安裝條件, 需要針對超聲波流量計、壓力傳感器、溫度傳感器以及流量計算機分別進行系統設計, 設計方法如下: (1) 超聲波流量計:根據工程的基本要求, 本工程內所安裝的超聲波流量計為DN250氣體超聲波流量計[2], 通過對天然氣貿易交接計量的計算, 其日均氣量為1×106m3, 該超聲波流量計共計包括4個超聲波測量聲道, 可以有效實現對輸送管道內天然氣貿易交接量的有效測量, 其可以通過對超聲換能器聲波信號的有效利用, 實現對電路以及DSP微控制器所組成信號處理單元的有效采集和處理, 并將其轉換為相應的脈沖輸出信號。 (2) 壓力傳感器:本工程內下游直管段上安裝了壓力傳感器, 主要用于被測氣體壓力的測量, 輸出的標準信號為4~20m A, 利用計算機將其上傳至流量計算機上, 從而用于壓力補償中。 (3) 溫度傳感器:本工程內下游直管段上同時安裝了溫度傳感器, 以此來實現對被測量氣體溫度的測量, 與壓力傳感器相同, 均利用計算機將其上傳至流量計算機上, 從而用于壓力補償中。 (4) 流量計算機:在使用流量計算機對流量進行計算時, 通常會利用串口通信或頻率輸入的方式以此來實現對流量計所統計工程流量信息的有效采集和整合, 同時也將分別采集壓力傳感器以及溫度傳感器所上傳的相關數據信息, 所有的數據采集以及信號輸送等方式均符合的相關規定, 且內部的系統軟件具有設計合理性, 計量管理功能齊全等特點, 擁有安全的數據庫, 且計算機的儲存功能較為龐大, 可以有效實現對被測量各種歷史數據的儲存以及相關配置參數的修改等, 具有良好的電磁兼容性。其中, 計算機的體積量運算采取了多種氣體壓縮因子的計算方式, 且根據不同的特定場所均有其所符合的計算方式。

  運行維護作為確保超聲波流量計穩定運行的主要工作環節, 本工程內針對超聲波流量計的維護主要以《GB/T 18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》[2]中的運行維護和保養要求進行運行維護, 并定期對超聲波流量計、溫度傳感器以及壓力傳感器等進行統一的維護和保養, 針對不同設備的保養操作流程等進行詳細的規范, 做出明確的規定。

  根據《GB/T 18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中的規定, 對超聲波流量計的實際運行效果進行分析, 結果從計量準確性來看, 經過1周的運行, 其所計量的準確性相對較高, 且在使用的過程中并未進行維護, 相較于傳統的標準孔板流量計, 超聲波流量計發揮出了更高的計量準確性, 且不確定因素相對較少。從計量的可靠性來看, 由于超聲波流量計在使用前采取了設計的方式設定了具有針對性的計量系統方案, 因此通過其在流程區域內于標準孔板流量計的串聯, 結果發現超聲波流量計所產生的誤差明顯低于標準孔板流量計, 進一步體現出了超聲波流量計的實際應用高效果。

  綜上所述, 通過本文對超聲波流量計在天然氣貿易交接計量中的應用分析, 將為其他工程內的超聲波流量計應用提供有效的理論依據, 從而為提高我國的天然氣貿易交接計量精細化管理水平產生了積極的影響, 為超聲波流量計日后的廣泛應用和推廣做出了巨大的貢獻。