超声波在天然气流量计量中的应用

　　1 气体超声流量计应用现状

　　超声波流量计量在工业方面应用， 已有近半个世纪的历史，初期因受到当时研究、技术、工艺和制造水平等诸多因素和历史条件限制， 应用被局限在液体方面，直到 80 年代之后，随着相关研究、技术、工艺和制造水平等方面的发展和提高， 特别是集成电路、数字电路、微处理器、高速数字信号处理技术以及压电陶瓷等高新技术的迅猛发展， 超声波流量计在天然气计量应用方面有了突破性进展,到 20 世纪 90 年代中后期逐渐得到完善，现已成为一项成熟的高技术产品。

　　超声波气体流量计具有：量程大，精度高、重复性好、压损小(基本上为管损)、工件不易老化、使用寿命长无可动部件、机械制造工艺相对简单、维护简便;在大型计量系统工程项目中，具有投资与运行费用低，管理方便等突出优点，受到用户的欢迎。 北京燃气集团从 2002 年开始新建门站全部使用超声波流量计，目前共计 10 台，年购入天然气 40 亿 m3，另一在建门站，将安装 5 台超声波气体流量计，到时年供气量将达到 60 亿 m3。 这几年间运行稳定，没有进行过任何大的维修维护工作。 每两年 1 次周期在线检定，共进行过两次，没有做任何调整，检定结果均为合格，系统整体精度为±1%。 所对应的上游(中石油) 集输站也基本上采用同样的超声波流量计量系统，现存唯一使用孔板计量的交接站，也因运行维护管理费用高，准备将其改造成超声波计量系统，计划2008 年内投运。

　　至今已有美国、荷兰、英国等 12 个国家政府机构批准超声波流量计量作为贸易结算的法定计量器具，它是继孔板流量计、涡轮流量计之后第三类适用于高压、大口径、高精度的天然气流量计。 我国也为此相应的制定了如：《用气体超声流量计测量天然气流量》GB/T 18604—2001、《天然气压缩因子的计算第 1 部分：导论和指南》GB/T17747.1-1999、《天然气压缩因子的计算 第 2 部分：用摩尔组成进行计算》GB/T17747.2-1999 、《天然气压缩因子的计算 第 3部分：用物性值进行计算》GB/T17747.3-1999、《天然气计量系统技术要求》GB/T18603-2001 等一系列国家标准，使得多声道超声波流量计在国内贸易口岸、西气东输沿线以及国内管道天然气大流量贸易计量方面的应用与发展得以迅速扩大, 并正逐步取代孔板流量计,成为贸易计量结算的主要方式。

　　很多种速度式流量计在线实际计量中误差增加，一个主要原因是由于流体流态特性的影响，这一直是此类流量计的一个研究重点。 由于现场阻流件类型的复杂性，流速廓形畸变，旋转流(涡流)以及脉动流等流体流态特性变化及影响， 孔板流量计花费数十年时间试验，消耗大量人力，其成果仍不能满足高精度、 大量程 (孔板流量计目前最好的量程比为10 ∶1)、低压损等现场实际要求，其它类型如涡街流量计等的研究试验仍在大力进行中。 近年出现多声道气体超声流量计，它利用多声道构建层析网络(见图 1)，应用计算机技术进行实时补偿和处理取得良好效果。 这是一种应用软件测量技术解决问题的方法， 它与孔板流量计等采用对阻流件逐个测量的方法无疑有较好的技术性和经济性。 并引起人们的充分重视， 一个重要原因就是通过多声道构建的层析网络，基本上解决了流体流动特性对流量计影响，具有 100 ∶1 的大量程和±0.5%～±0.75% 的高精度。 一般来讲声道数越多精度越高。在实际应用中，根据精度要求，选择声道数，一般声道数选择范围在 3 至 5个声道之间。声道数越多成本价格也越高。同时要考虑国内检定机构检定设备的流量范围和精度等制约限制，目前所能检定的最大管径为 DN300，最小管径一般在 DN150，所能出具的系统精度等级的能力为 1 级。被检定系统精度过高不仅增加投资，同时还将无法得到检定机构确认。 声道数量受管径几何空间尺寸限制，因此小管径可安装声道数受到限制，精度相应也受到一定限制。 大流量超声波管径选用一般在 DN150 至 DN300 之间。 多声道超声波流量计已成为了一项成熟流量计量检测技术， 国内已有不少厂商在大流量方面， 开发出超声波天然气流量计量的产品， 但目前还主要局限于管道天然气大流量贸易计量方面。在中小流量方面，国际上已开发并拥有了民用超声燃气表， 由于涉及到一些敏感技术等问题，较难获得具体的相关技术信息资料。国内尚无其产品和应用，相关产品的介绍也很少，更难见到有关民用超声燃气表的技术性文章或资料。因此，借鉴目前工业用大型超声流量计所采用的时差法测量燃气流量的方法， 依据对超声波流量计量的了解和应用情况，于此尝试着发表本文，对超声波在燃气流量计量中的应用进行一些介绍，以供大家探讨。