气体超声流量计在声道故障状态下的应用技术研究

刘 旸

（中国石油化工集团有限公司物资装备部）

我国对气体超声流量计的应用技术研究起步较晚，始于20世纪90年代末。 由中国石油西南油气田分公司承担的超声流量计现场应用研究，课题于1999年10月开题，2001年3月形成结题报告。 此后，2001年12月正式制定颁布了国家标准GB/T 18604—2001《用气体超声流量计测量天然气流量》。 2007年又制定了JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》。 至此，我国天然气计量方面的法律法规和检定规范渐趋完善。 近年来，随着国内输气管道SCADA系统的构建，气体超声流量计在天然气输气主干管网上的应用已成主流。 与此相对应，国内从事多声道气体超声流量计产品研发的企业起步也比较晚，直到2005年才由一家专门从事气体超声流量计研制的企业填补国内这个领域的空白。

目前，在天然气管输的贸易交接计量中均采用多声道形式（最常用四声道或六声道）的气体超声流量计（GB/T 18604—2001）。 为了保证流量计运行的稳定性和可靠性， 国家等同采用ISO 17089标准制定了GB/T 34041.1—2017《封闭管道中流体流量的测量 气体超声流量计》， 要求气体超声流量计具备故障诊断功能，对信号处理单元要求通过智能诊断可以获得超声探头的信噪比、增益控制值、信号幅值、信号接收率及声速等信息。 并能通过上述诊断信息进行分析比较，综合判断超声探头是处于正常工作状态，还是受到凝结水影响工作异常、受粘滞油污等污染而处于故障状态。 在极端状态下，当超声探头发生故障时，流量计通过自带的智能诊断软件，依据判断结果自动切除故障声道，使在线流量计的检定示值误差和重复性误差经过自动修正后仍在要求的精度范围内。

笔者在从事天然气计量工作中，就气体超声流量计实际应用中碰到的一些问题，通过对工厂所能模拟的各类极端测试条件进行相关的模拟试验过程的观察和实际验证，介绍气体超声流量计在极端故障等状态下保障计量准确性的方法。

1 气体超声流量计原理

气体超声流量计采用超声波检测技术测定气体流量，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的时间差，获得被测气体的流速，再乘以测量管段的截面流通面积和气体密度，可以算出相应的工况流量和标准状态下气体的流量。 气体超声流量计原理如图1所示。

图1 气体超声流量计原理

多声道气体超声流量计产品实际应用的是多声道布置的冗余技术， 即将多对超声换能器（俗称超声探头） 布置在封闭管道的不同弦线位置组成多个测量声道，测量管道内流体（笔者主要探讨气体，尤其是天然气等燃气介质）不同层面所构成流场的线速度，通过积分运算公式获得反映管道真实流速的面平均流速。

1.1 确定被测气体的流速

如图1所示， 令测量管道中两换能器间的超声传播距离为L（即声程），超声传播方向与轴线之间的夹角为θ， 超声波在静态气体中的声速为C，则当测量管道内气体流速为v时，超声波沿气流顺向传播和逆向传播的时间t1、t2分别为：

通过时差法进行流量测量的基本原理为：

其中，声时差Δt=t2-t1。 通过式（2）即可获得每个声道的流速。

实际测量过程中会出现干扰信号，此时信号处理单元中的CPU会对采集到的数据进行自动判断，将无效数据丢弃，将N个有效的平均声道速度va形成的平均流速保存下来：

如果某声道的无效测量值超过一定的比例（各气体超声流量计生产制造商产品设定的默认值不同），则该通道的平均流速不参与运算，而采用一个替代值来代替错误声道进行补偿。 以目前常用的四声道直射式气体超声流量计为例，4个声道（即长、短各2个声道）的加权平均速度就是流过流量计的气体速度：

其中，Wi为权重因子， 长声道的权重大于短声道。

1.2 工况条件下体积流量计算

由测得的管道中的气体流速可以得到工况条件下气体的瞬时流量Q：

1.3 标准工况条件下体积流量的计算

标准工况下气体的瞬时流量Q0为：

其中，p、T、Z分别为管道中工况条件下气体的压力、温度和压缩因子，p0、T0、Z0分别为标准工况下气体的压力、温度和压缩因子。

2 流量计运行状态的报警和故障诊断的技术可行性

目前，气体超声流量计基本都具备运行状态下的报警输出（一般报警和故障报警）、故障诊断（判断故障潜在来源）功能的设置，也即：气体超声流量计具有自动检测各个声道测量的流量（流速）、信噪比、自动增益值、信号幅值、信号使用率、声速、压力及温度等参数的功能，而流量计的计量系统会自动调用这些参数的数值。 当这些参数值超过预先设定的与口径、适用温度、压力范围或流量范围相对应的限值时，系统会自动发出警告信号， 提醒用户检测和分析报警的原因，排除可能会产生故障的因素。

一般情况下，对于超声信号的信噪比、自动增益值、信号幅度、信号使用率及声速等异常，计量系统首先会提示流量计的超声探头和流量计测量管道内壁可能存在油污等附着物，若报警值达红色故障则有必要进行停机检查和清除油污的处理。 而对于当某个声道的探头出现超声信号幅值偏小（相比对称的声道而言）、信噪比大幅降低、自动增益失效、声速偏离平均声速超过标准值的情况，流量计则会根据判断条件发出故障信号，与此同时系统会自动屏蔽该声道探头采集的数据，使该故障声道不参与平均流速和流量的计算，同时利用正常声道数据通过有效的补偿数学模型对切除故障声道进行替代补偿处理，以确保计量的精度。

由于气体超声流量计生产商采用不同的声时测量技术，对气体超声流量计诊断用各类数据的参照值也会不同， 但均应符合GB/T 34041.1—2017规范的5.5.6节自诊断参数要求进行判断。

3 故障声道切除后对流量计检定示值误差和重复性误差的检测与分析

针对实际使用中发现的问题，通过与流量计生产厂家协商，将一台国产的四声道气体超声流量计送上海市计量测试研究院测试中心进行相关极端状况的模拟测试。 由于该院无法模拟对计量装置施加含水方面的测试，遂采取极端的声道完全失效模式进行模拟，即采用某一个或两个声道完全无法工作而进行切除的测试试验。 该台四声道气体超声流量计（表号1151-034） 的口径为DN100mm，测量准确度等级为0.5级。 试验过程主要是切除不同的声道后进行实流检定，用以分析不同故障状态下检定示值误差和重复性误差的影响量。 数据来自上海计量测试研究院提供的检测报告（编号2015E31-30-006769）。

四声道气体超声流量计切除一个长声道（视为故障声道）前后的检定示值误差和重复性误差比对见表1、图2。

表1 一个长声道（视为故障声道）切除前后流量计的检定示值误差和重复性误差比对

图2 一个长声道（视为故障声道）切除前后与增加补偿检定示值误差比对

由表1和图2可以看出，四声道流量计正常状态下符合测量准确度0.5级的要求；当切除一个故障长声道后，对流量计的检定示值误差有一定影响，在0.1Qmax流量点时的检定示值误差超出0.5级的技术要求，而对切除长声道检定示值误差补偿后， 可满足标准0.5级表检定示值误差的要求；当切除一个故障长声道后，有无补偿四声道流量计的重复性误差均符合标准要求。

四声道气体超声流量计切除一个短声道（视为故障声道）前后的检定示值误差和重复性误差 比对见表2、图3。

表2 一个短声道（视为故障声道）切除前后流量计的检定示值误差和重复性误差比对

图3 一个短声道（视为故障声道）切除前后与增加补偿的检定示值误差比对

从表2和图3可以看出，四声道气体超声流量计在切除一个故障短声道前后，流量在全量程范围中的检定示值误差均符合测量准确度0.5级的要求； 对切除短声道检定示值误差增加补偿后，会得到更接近中间值的检定示值误差，线性度有所改善，误差均符合标准要求；声道切除后无补偿和声道切除后有补偿两种状态下的重复性误差均符合要求。

四声道气体超声流量计长、短声道各切除一个前后的检定示值误差和重复性误差比对见表3、图4。

表3 长、短声道各切除一个前后的检定示值误差和重复性误差比对

由表3和图4可以看出，四声道气体超声流量计长、短声道各切除一个后，对流量计示值误差有一定的影响， 在0.1Qmax流量范围中检定示值误差稍超出测量准确度0.5级的要求，但流量计的重复性没有影响； 对切除声道采取补偿措施后，流量计的检定示值误差和重复性误差均符合标准要求。

4 试验结果总结

从上述3个检定试验数据推断， 故障长声道的切除对流量计的示值误差有一定的影响，而故障短声道的切除对流量计示值误差的影响较小，但经过修正补偿流量计示值误差均符合要求。

四声道流量计模拟发生故障时，重复性均没有受到很大的影响。 因此这种时候采取对称声道的补偿措施，能有效地改善气体超声流量计的计量性能。

图4 长、短声道各切除一个前后与增加补偿的检定示值误差比对

从试验结果看，经声道对称性补偿后的示值误差有向正偏差弥补的趋势。

5 结束语

目前气体超声流量计在天然气输送管道已成功运行。 气体超声流量计以其高精度、宽量程、无压损和运行维护量少的优势，尤其是目前大多数气体超声流量计计量系统均配备了远程诊断系统， 可实现实时自动观测计量系统的运行状况，使该产品的优势突显。 因为产品在实际生产运行过程中不可避免会遇到气致原因或操作条件剧烈变化而导致的超声探头损坏等极端工况，而气体超声流量计可在声道故障状态下智能诊断并做出迅速响应， 从而有效避免贸易计量偏差，并通过信息自动回传由生产厂家提供快速维修的技术服务。

笔者通过对模拟试验验证在声道故障的极端恶劣工况下超声流量计运行状况的描摹，以期找出影响超声计量系统在计量准确性、稳定性等方面的量化数值；并阐述利用气体超声流量计在智能自诊断方面所具有的技术优势，通过声道故障切除或声道替换技术，寻找保证超声计量系统稳定性和可靠性的技术措施。 当然，实际工况更复杂，需要总结各种条件下流量计的安装、调试、故障诊断排查、周期保养和维护方面经验。