大管径天然气计量中选用超声波流量计
摘要超声波流量计是现代化工业生产中测量流量的重要工具之一。超声波流量计在大管径天然气计量中具有突出的优点。通过对超声波流量计的测量原理和影响超声波流量计测量精度的因素分析，详细阐述了解决测量精度的具体方法，提供了仪表选型、安装的指导性建议。
流量是天然气生产集输中重要的参数之一。流量测量值的准确与否，将直接影响系统运行的稳定性和交接计量中双方的经济利益。目前国内生产的基于各种原理测量流量的流量计种类很多，如容积式流量计、涡街流量计、差压流量计、超声波流量计等。其中，超声波流量计是随着is(集成电路)技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。与其他类型的流量计相比，超声波流量计具有无压力损失、性能价格比高、测量范围宽(一般可达到20:1)等特点。传播速度差法超声波流量计的测量范围可达到300:1。因此，在大管径天然气的计量中使用超声波流量计更具有突出的优势。尤其在城市输气中，白天用气高峰和夜间用气低谷气流量差别悬殊，超声波流量计测量范围宽的特点很好的适应了这一点。
1、超声波流量计的测量原理：
超声波流量计由超声波转换器将电能转换为超声波能量，以一定的方式发射并穿过被测流体，接收器接收到超声波信号，供显示积算仪显示和积算，实现流量的检测显示。
超声波流量计按测量原理，可以具有多种不同的形式。包括传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法和流速一液面法。这些方法用于流量测量各有利弊，可以根据被测流体、精度要求等的不同进行选择。从精度上看，传播速度差法较好。其测量精度优于±1. 0,有的多声道超声波流量计精度已高达±0. 5。满足气体交接计量的要求。目前大管径天然气计量中使用的超声波流量计多数采用此种测量原理的流量计。
超声波流量计的测量原理通过测量流体的流速来换算成流体的质量流量qm，其关系为:qm=puA
式中:qm一质量流量，kg/s; P一密度，kg/m3 ; u—流速流体的流速，m/s; A量截面，mzm。
式(1)中，密度P取决于流体的介质及工况，流量截面主要取决于管道的状况及工况，一般均能准确测得。所以测量流体的流速u，便是超声波流量计的主要目的。
传播速度差法测流速就是根据声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，求出流速的方法。当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为(c+u)，当声波的传播方向与流体的流动方向相反时，其传播速度为(c一u)。其原理可表述为:
式中:t1一声波在流动的流体中顺流传播的时间，s; t2一声波在流动的流体中顺流传播的时 间，S; L一一对超声波发生器与接收器的距离，mo 因此顺逆流情况下声波传播时间差△t = t2一t1 ,则公式(4)可表示为:
由此可知，流速与△t/[tl(4t+tl)]成正比，比例系数l/2为常数，不受温度变化的影响，只需将顺流传播时间t!及4t代入，进行运算即可求得流速。
2、影响超声波流量测量准确性的因素：
影响超声波流量计准确性的因素很多，其主要因素有2个方面:一是仪表本身性能的影响;二是安装质量的影响。
(1)流量计的选型：
传播速度差法的测量原理是测量超声波传播途径上的平均流速，这一平均流速是否能正确反映流通截面上的流速对于测量的准确性是有影响的。因此，设计中应选用双声道或多声道流量计以改善单声道测量平均流速的不确定性。在实际使用中单声道流量计精度为±2.0，可以满足过程控制的要求。多声道的流量计精度为±1.0，可以满足贸易交接计量的要求。
超声波流量计的测量体有两种形式:外夹装式和自带测量管式。外夹装式超声波流量计使用方便灵活，特别适用于改造工程。然而现场应用的实际精度，常因工作疏忽，安装距离和流通面积测量等误差而造成精度下降。使用带测量管的超声波流量计降低了迎流流速分布的影响，减少了前后置直管长度的影响，消除了现场安装转换器位置的影响。在现场工艺条件允许的情况下使用自带测量管的测量方式。
(2)安装质量的影响：
安装地点的选择必须保证转换器前的流体是沿管轴平行流动，所以应保证转换器前有一定长度的直管段，所需直管段长度与流道上阻力件形式有关 (见表1)。流量计两侧的工艺管道内壁要光滑，不应有堆焊;带测量管的超声波流量计安装时密封垫圈的内径应比流量计的内径大4~5 mm，以防在法兰紧固后伸入管道内，造成有效流通面积减小，影响测量精度。夹装式超声波流量计可以安装管道支撑架以减小管道振动对测量精度的影响。流量计的接地线要可靠接地。电缆屏蔽层也要可靠接地，以防止外界的各类电磁干扰。
(3)超声波流量计的调整和校验 准确的调整和校验对流量计的正常工作非常重要。包括对流量显示的二次仪表的电子线路进行调校;对转换器的安装进行调校使得发射转换器的声波信号经流体中的传播以后能正常地被接收转换器所接收。对于带测量管的超声波流量计，由于发射转换器和接收转换器的相对位置固定，因此其调校均相对较为简便，主要针对二次仪表的电子线路进行调校。
表1流量计前后直管段长度要求
随着天然气在我国能源体系中地位的日趋重要和以西气东输为代表的输气管道的增加，超声波流量计以其非接触式测量的独特优点，必将获得更加广泛的应用。