超聲波流量計(jì)是一種以速度差法為原理所設(shè)計(jì)的一種液體流量測(cè)量?jī)x器, 其采用了先進(jìn)的多脈沖技術(shù)、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)以及糾錯(cuò)技術(shù), 可以被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中, 具有計(jì)量方便、準(zhǔn)確以及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等多種優(yōu)點(diǎn)[1]。從使用功能和特點(diǎn)來看, 超聲波流量計(jì)利用信號(hào)數(shù)字化的處理技術(shù), 可以進(jìn)一步確保測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性, 提高了測(cè)量的抗干擾能力, 有利于提高計(jì)量的精準(zhǔn)度, 且超聲波流量計(jì)內(nèi)的無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件不容易損壞且不需要進(jìn)行后期維護(hù), 使用周期長(zhǎng)。

  為了滿足天然氣貿(mào)易交接計(jì)量的精度要求, 在對(duì)其計(jì)量方式進(jìn)行選擇時(shí)必須選擇超聲波流量計(jì)。目前, 市場(chǎng)中常見的超聲波流量計(jì)主要包括2、4、5以及6聲道技術(shù), 2聲道流量計(jì)僅可用于精準(zhǔn)度要求為1%的計(jì)量中, 4和5聲道流量計(jì)的精度可以精準(zhǔn)到0.5%, 而6聲道流量計(jì)的精度則可以精準(zhǔn)到0.25%, 多以4和5聲道流量計(jì)的應(yīng)用相對(duì)較多, 但隨著近年來6聲道流量計(jì)技術(shù)水平的不斷提升, 其逐漸被廣泛應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用中, 并發(fā)揮出較好的應(yīng)用效果。6聲道超聲波流量計(jì)主要使用了3個(gè)平面的6個(gè)聲道進(jìn)行測(cè)量, 在高斯-切比雪夫理論下記性排列, 即使在不對(duì)稱或者渦流的情況下也均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流速的有效測(cè)量。

  從計(jì)量原理來看, 超聲波流量計(jì)可以使聲脈沖在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)逆流和順流的傳播, 通過對(duì)傳播時(shí)間的測(cè)量, 以此來計(jì)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(shí)間可使用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

  公式中, t1表示反向傳輸時(shí)間, t2表示正向傳輸時(shí)間, v表示天然氣流體速度, c表示聲速, 根據(jù)上述公式進(jìn)行轉(zhuǎn)變, 可進(jìn)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(jì)算公式如下:

  其中, qvf表示當(dāng)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(duì)公式的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變可以得出qvf的計(jì)算公式如下:

  其中, qvn用于表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣產(chǎn)生的瞬間體積流量, Pn表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下產(chǎn)生的壓力, Pf表示工作條件下的靜壓力, Tn表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下產(chǎn)生的熱力學(xué)溫度, Tf表示工作條件下的熱力學(xué)溫度, Zn表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下產(chǎn)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(jì)的安裝應(yīng)當(dāng)在-20℃~60℃的環(huán)境下, 工作環(huán)境應(yīng)當(dāng)保證在-40℃~60℃, 在實(shí)際安裝的過程中, 應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體的施工環(huán)境采取相應(yīng)的防曬或防凍措施。 (2) 安裝環(huán)境:在安裝超聲波流量計(jì)時(shí), 盡量避免在振動(dòng)的環(huán)境下安裝, 尤其是可以導(dǎo)致信號(hào)處理單元等出現(xiàn)共振的環(huán)境, 同時(shí)也應(yīng)當(dāng)避免可能存在的電器噪聲環(huán)境。 (3) 注意事項(xiàng):a超聲波信號(hào)電纜與具有強(qiáng)電場(chǎng)以及強(qiáng)磁場(chǎng)電器設(shè)備與電纜之間的距離必須超過1.5m, 若設(shè)備或電纜帶有屏蔽的穿金屬保護(hù)管時(shí), 二者之間的距離則必須超過0.8m;b電纜的鋪設(shè)必須嚴(yán)格按照工程的操作規(guī)范施工, 使埋地鋪設(shè)的深度必須超過70cm且需要埋于凍土層下方;c自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)必須根據(jù)工程的實(shí)際情況, 將其設(shè)置為保護(hù)接地或信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)要求;d流量計(jì)或儀表的安裝必須嚴(yán)格按照工程的施工標(biāo)準(zhǔn), 以免出現(xiàn)由于安裝不規(guī)范所造成的測(cè)量誤差;e減少安裝過程中聲學(xué)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果或性能產(chǎn)生的影響, 盡量將流量計(jì)安裝于調(diào)節(jié)閥的上游處, 減少其他噪音對(duì)流量計(jì)量結(jié)果產(chǎn)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(duì)計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生的影響;f安裝前仔細(xì)檢查流量計(jì)附近是否存在可能的流動(dòng)脈動(dòng), 并采取相應(yīng)的措施減少脈動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響, 減少測(cè)量結(jié)果的不確定性。

  根據(jù)超聲波流量計(jì)的具體測(cè)量方法以及安裝條件, 需要針對(duì)超聲波流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器以及流量計(jì)算機(jī)分別進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)方法如下: (1) 超聲波流量計(jì):根據(jù)工程的基本要求, 本工程內(nèi)所安裝的超聲波流量計(jì)為DN250氣體超聲波流量計(jì)[2], 通過對(duì)天然氣貿(mào)易交接計(jì)量的計(jì)算, 其日均氣量為1×106m3, 該超聲波流量計(jì)共計(jì)包括4個(gè)超聲波測(cè)量聲道, 可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送管道內(nèi)天然氣貿(mào)易交接量的有效測(cè)量, 其可以通過對(duì)超聲換能器聲波信號(hào)的有效利用, 實(shí)現(xiàn)對(duì)電路以及DSP微控制器所組成信號(hào)處理單元的有效采集和處理, 并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖輸出信號(hào)。 (2) 壓力傳感器:本工程內(nèi)下游直管段上安裝了壓力傳感器, 主要用于被測(cè)氣體壓力的測(cè)量, 輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為4~20m A, 利用計(jì)算機(jī)將其上傳至流量計(jì)算機(jī)上, 從而用于壓力補(bǔ)償中。 (3) 溫度傳感器:本工程內(nèi)下游直管段上同時(shí)安裝了溫度傳感器, 以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量氣體溫度的測(cè)量, 與壓力傳感器相同, 均利用計(jì)算機(jī)將其上傳至流量計(jì)算機(jī)上, 從而用于壓力補(bǔ)償中。 (4) 流量計(jì)算機(jī):在使用流量計(jì)算機(jī)對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算時(shí), 通常會(huì)利用串口通信或頻率輸入的方式以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)所統(tǒng)計(jì)工程流量信息的有效采集和整合, 同時(shí)也將分別采集壓力傳感器以及溫度傳感器所上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)信息, 所有的數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)輸送等方式均符合的相關(guān)規(guī)定, 且內(nèi)部的系統(tǒng)軟件具有設(shè)計(jì)合理性, 計(jì)量管理功能齊全等特點(diǎn), 擁有安全的數(shù)據(jù)庫(kù), 且計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存功能較為龐大, 可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量各種歷史數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存以及相關(guān)配置參數(shù)的修改等, 具有良好的電磁兼容性。其中, 計(jì)算機(jī)的體積量運(yùn)算采取了多種氣體壓縮因子的計(jì)算方式, 且根據(jù)不同的特定場(chǎng)所均有其所符合的計(jì)算方式。

  運(yùn)行維護(hù)作為確保超聲波流量計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的主要工作環(huán)節(jié), 本工程內(nèi)針對(duì)超聲波流量計(jì)的維護(hù)主要以《GB/T 18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》[2]中的運(yùn)行維護(hù)和保養(yǎng)要求進(jìn)行運(yùn)行維護(hù), 并定期對(duì)超聲波流量計(jì)、溫度傳感器以及壓力傳感器等進(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)和保養(yǎng), 針對(duì)不同設(shè)備的保養(yǎng)操作流程等進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)范, 做出明確的規(guī)定。

  根據(jù)《GB/T 18604-2014用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中的規(guī)定, 對(duì)超聲波流量計(jì)的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析, 結(jié)果從計(jì)量準(zhǔn)確性來看, 經(jīng)過1周的運(yùn)行, 其所計(jì)量的準(zhǔn)確性相對(duì)較高, 且在使用的過程中并未進(jìn)行維護(hù), 相較于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì), 超聲波流量計(jì)發(fā)揮出了更高的計(jì)量準(zhǔn)確性, 且不確定因素相對(duì)較少。從計(jì)量的可靠性來看, 由于超聲波流量計(jì)在使用前采取了設(shè)計(jì)的方式設(shè)定了具有針對(duì)性的計(jì)量系統(tǒng)方案, 因此通過其在流程區(qū)域內(nèi)于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的串聯(lián), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波流量計(jì)所產(chǎn)生的誤差明顯低于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì), 進(jìn)一步體現(xiàn)出了超聲波流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用高效果。

  綜上所述, 通過本文對(duì)超聲波流量計(jì)在天然氣貿(mào)易交接計(jì)量中的應(yīng)用分析, 將為其他工程內(nèi)的超聲波流量計(jì)應(yīng)用提供有效的理論依據(jù), 從而為提高我國(guó)的天然氣貿(mào)易交接計(jì)量精細(xì)化管理水平產(chǎn)生了積極的影響, 為超聲波流量計(jì)日后的廣泛應(yīng)用和推廣做出了巨大的貢獻(xiàn)。