气体超声流量计在天然气计量中的应用

王凤桐（天津市河北区计量检定所，天津，300241）

赵晓春（天津市河东区计量检定所，天津，300171）

张学斌（天津市计量监督检测科学研究院，天津，300192）

气体超声流量计在天然气计量中的应用

王凤桐（天津市河北区计量检定所，天津，300241）

赵晓春（天津市河东区计量检定所，天津，300171）

张学斌（天津市计量监督检测科学研究院，天津，300192）

天然气作为一种优质、高效、清洁的能源和重要的化工原料，在世界各国均得到普遍重视和优先利用，它给人类带来了清洁的环境和高品质的生活。据统计在2009年全球天然气的消费量超过3万亿立方米，在能源结构中占的比例达到24%。天然气的计量工作作为天然气工业重要组成部分，贯穿于天然气的开采、运输、储存、贸易和使用过程之中，可以说是天然气的科学开发、公平贸易、合理利用的核心保障。

目前应用于天然气的流量计量的仪表，主要有差压式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、超声流量计、漩涡流量计、科里奥利式流量计等。近些年随着科技的进步气体超声流量计由于准确度高、量程比大、压力损失小的特点被广泛应用与天然气的流量测量之重，成为天然气流量计量仪表中最为活跃、最具潜力的部分，下面本文将从原理、特点、应用等方面对其进行介绍：

一、组成及工作原理：

1.组成：超声流量计主要由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统三部分组成。超声波换能器采用铸铁酸铅压电元件制作,利用压电效应发射和接收声波,通过检测流体对超声束或超声脉冲的影响来测量流体体积流量。

超声流量计工作原理图

2.超声波流量计的原理:传递的声讯号穿过管道内流动的介质时,其传递速度受介质流动速度的影响声讯号在两个传感器之间的传递时间取决于管道内介质的流速。一个声讯号通过上游的时间要比它通过下游的时间长。而这个时间差值与管道内介质的流速成正比，如图所示：

目前所使用的超声流量计主要分为时差法和频差法：

1）时差法：

管道内气体流速vf按以下公式可求得：

其中：分别为声讯号通过上下游的时间，L为声讯号通过的路径长度，X为换能器轴线方向距离。

2）频差法:如果在两个不同的方向上比较两条脉冲链的频率差,这个脉冲差与流体速度也成比例。

多声道气体超声流量计

可知：vf=L2(f12-f21)/2X

以上两种对流体流速的算法的理论基础是相同，都与经过流体的声讯号速度c无关，因此，理论上可得出气体流量为：Q=A其中D为管道直径，vf为管道流速。

二、气超声流量计的主要特点：

1.适用于各种量程的天然气流量测量，特别是对于大口径、高压力、大量程的天然气测量，一般来说其压力越高准确度就越高。国外有些厂家能够做到直径达到DN1600的气体超声流量计，其流量能够超过18，0000m3/h，这是一般的气体流量计都不能实现的，在国外特别是对于天然气贸易交接、输送的大型管道和天然气站往往都采用气体超声流量计。

2.气体超声流量计的量程比比较宽，一般都高于1：50，最高能达到1：300，能够满足各种条件的需要。

3.由于其内部不存在可动部件和阻流部件，所以其无磨损问题，不会存在零点漂移现象，也不会像差压式流量计那样引起压力损失，可大大降低长输管道增压费用。

4.准确度较高，近些年随着技术的进步，陆续出现了许多多声道的天然气超声流量计，其准确度较之早期有了很大的提高，例如，德国elster公司生产的5声道的超声流量计，在多点实流标定的情况下，其准确度可以达到±0.1%，重复性优于±0.05%。这在流量计量中已经达到了一个相当的高度。

5.由于其结构特点决定，超声流量计能够不受气体流向影响，能以一致的准确度进行双向流量计量，无压力害处，无过载被破坏的激化，维修量小，主动化水准高。

三、气体超声流量计的应用：

气体超声流量计相对于传统的差压式流量计和涡轮流量计有着较多的优点，但在应用中也应有所注意。

首先，应当本着经济性的原则，由于超声流量计价格较贵、应用成本较高，所以应当根据实际情况选型，不可一味追高造成不必要浪费。

其次，在条件允许情况下，应当尽量选用多声道的超声流量计，一般来说声道越多计量就越为准确，如下图所示为某三声道和四声道气体超声流量计在工况流量下示值误差曲线图：

可见，流量计由三声道增加到四声道，其计量准确度便有了一个较大的提高。

第三，对气体超声流量计的选择，一般应使其工作在最大流量的10%以上，在低于最大流量的10%的情况下，不能完全发挥其高准确度的特点。

可是说，随着科学技术的进步，气体超声流量计在近些年来取得了较大的发展，代表了现今气体流量计量的最新技术，并且逐渐被国内所认识和接受，但是随着今后我国天然气工业的发展和西气东输等重大项目的全面投产，其必将会得到更加广泛的应用。