摘要：闡述了天然氣超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)和待解決的問(wèn)題，分析了實(shí)流測(cè)試的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：天然氣； 超聲波流量計(jì)； 標(biāo)定； 實(shí)流測(cè)試
Application of Natural Gas Ultrasonic Flowmeter
FENG Bao-ting1．TANG Suo-chen2
(1．Tianjin Construction Management School，Tianjin 300250，China；2．Second Sales Branch of Tianjin Gas Group Co.，Ltd．，Tianjin 300191，China)
Abstract：The characteristics of natural gas ultrasonic flowmeter and the problems to be in need of solution are described，and the result of practical flow measurement is analyzed．
Key words：natural gas；ultrasonic flowmeter；calibration；practical flow measurement
天然氣流量測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響到燃?xì)馄髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，隨著我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)的發(fā)展，超聲波流量計(jì)在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用前景看好［1、2］。我國(guó)于2001年制訂了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2001《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。為了驗(yàn)證超聲波流量計(jì)的性能，我們對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，并在實(shí)地進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，為超聲波流量計(jì)在我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)中的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。
1 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)
根據(jù)超聲波流量計(jì)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，可將其分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、空間濾法及噪聲法等。超聲波流量計(jì)特別適用于大口徑管道流量的測(cè)量，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①可進(jìn)行非接觸式測(cè)量；②測(cè)量時(shí)無(wú)流動(dòng)阻擾，無(wú)壓力損失；③可測(cè)量非導(dǎo)電性液體。實(shí)地測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也證明超聲波流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程寬、抗干擾能力強(qiáng)、維修工作量少、能測(cè)量雙向流等優(yōu)點(diǎn)。
由于天然氣流量測(cè)量涉及面廣，隨著應(yīng)用對(duì)象的不同，對(duì)其在不同場(chǎng)合有不同的要求。盡管超聲波流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)，但還不可能完全替代其他類(lèi)型流量計(jì)。特別是在標(biāo)定不能妥善解決之前，孔板流量計(jì)仍是天然氣計(jì)量的主要儀器之一。目前，超聲波流量計(jì)還應(yīng)解決以下問(wèn)題：①針對(duì)上游不同類(lèi)型阻力件產(chǎn)生的影響，如何合理確定不同情況下流量計(jì)上游直管段的長(zhǎng)度；②操作壓力、溫度及氣體組成的變化對(duì)流量測(cè)量的影響及校正辦法；③不同雷諾數(shù)下速度分布削面修正系數(shù)的精確確定，以及流量計(jì)主體幾何尺寸的誤差對(duì)精度的影響。④探頭的穩(wěn)定性及互換性；⑤傳播時(shí)差法只適用于清潔的液體和氣體；⑥多普勒法只能用于測(cè)量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體，且測(cè)量精度不高。
2 超聲波流量計(jì)的測(cè)試
對(duì)用于貿(mào)易計(jì)量的超聲波流量計(jì)，供需雙方都要求其測(cè)量精度高，所以標(biāo)定很重要。對(duì)于直徑小于300mm的管道，超聲波流量計(jì)的標(biāo)定還可以做到；對(duì)于直徑大于300 mm的高壓大流量管道，超聲波流量計(jì)的標(biāo)定還很難辦到。
在計(jì)量站采用不確定度為0.25％的臨界流文丘里噴嘴作為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，結(jié)合JJG 198—1994檢定規(guī)程進(jìn)行了以下測(cè)試：①不同聲道；②不同管徑：⑧不同安裝條件；理想安裝條件為17D以?xún)?nèi)無(wú)彎頭(D為管道的公稱(chēng)直徑)、無(wú)過(guò)渡部件、無(wú)阻力件等，流場(chǎng)較穩(wěn)定，無(wú)脈動(dòng)流，無(wú)旋渦流；非理想安裝條件為在超聲波流量計(jì)上游13D前安裝阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器等；④不同安裝方向；⑤不同壓力。測(cè)試結(jié)果如下．
①超聲波流量計(jì)適用于高壓、大口徑、大流量的工況條件，但對(duì)小于拐點(diǎn)流量(拐點(diǎn)流量用qt表不，一般是最大流量的10％)的流量段應(yīng)慎用。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，對(duì)直徑為300mm的管道在理想安裝條件下和非理想安裝條件下測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，除流量為240m3/h時(shí)，非理想安裝條件下測(cè)試相對(duì)誤差為1.45％外，其余各點(diǎn)都在指標(biāo)內(nèi)。
②超聲波流量計(jì)的計(jì)量不受氣體流向的影響，能以相同的準(zhǔn)確度進(jìn)行雙向流量計(jì)量(見(jiàn)圖1)
Fig.1 Results of positive and inverse flow measurement under ideal installation condition
③對(duì)同一生產(chǎn)廠(chǎng)家的超聲波流量計(jì)，聲道數(shù)越多，計(jì)量準(zhǔn)確度越高，性能越可靠(見(jiàn)表1)。
表1 理想安裝條件下聲道數(shù)對(duì)超聲波流量計(jì)的影響
Tab.1 Influence of number of sound channels on ultrasonic flowmeter under ideal installation condition
序號(hào) 聲道 流量≤qt 流量>qt
相對(duì)誤差/％ 重復(fù)性/％ 相對(duì)誤差/％ 重復(fù)性/％
1 五聲道 -0.32 0.16 -0.64 0.30
2 三聲道 -0.38 0.20 O．93 0.26
3 雙聲道 -0.65 -0.39 -0.77 0.26
4 單聲道 0.96 0.44 -1.14 0.48
④超聲波流量計(jì)的出廠(chǎng)檢定與實(shí)流標(biāo)定之間存在誤差，出廠(chǎng)檢定合格后，需經(jīng)實(shí)流校準(zhǔn)。有時(shí)由于安裝造成的相對(duì)誤差可能超過(guò)0.3％，如四聲道超聲波流量計(jì)出廠(chǎng)時(shí)流量系數(shù)為1.0062，在理想安裝條件下測(cè)試能保證精確度優(yōu)于±0.5％，但在非理想安裝條件下實(shí)流校準(zhǔn)設(shè)置牟問(wèn)?薹ù銼輳?虼擻Ω?菹殖」た黿?惺盜髁勘甓?見(jiàn)圖2)。
Fig.2 Results of flow measurement before and after coefficient adjustment under non-ideal installation condition
⑤對(duì)直徑為300 mm的流量計(jì)，從三聲道和四聲道超聲波流量計(jì)在同等條件下的測(cè)試結(jié)果可以看出，在流量計(jì)聲道出現(xiàn)故障時(shí)，聲道多的流量計(jì)能有效進(jìn)行判斷和補(bǔ)償(見(jiàn)圖3)。
Fig.3 Measurement result of ultrasonic flowmeter with three and four sound channels(flow coefficient：1.0062)
⑥超聲波流量計(jì)在理想安裝條件下，壓力為2.0、1.2、0.8MPa，流量的相對(duì)誤差略有不同(見(jiàn)圖4)，流量的相對(duì)誤差、重復(fù)性和峰間誤差均達(dá)標(biāo)。在超聲波流量計(jì)入口無(wú)旋渦流和脈動(dòng)流情況下，在正常工作壓力范圍內(nèi)，能保證超聲波流量計(jì)精度優(yōu)于±0.5％。
在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，將五聲道超聲波流量計(jì)和四聲道超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)進(jìn)行了比較，試驗(yàn)管道的直徑為300 mm，工作壓力約0.9MPa，流量約6000 m3/h。還采用五聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量直徑為300 mm的管道的流量，用單聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量直徑為1500mm的管道的流量，結(jié)果表明其性能穩(wěn)定、可靠，能適應(yīng)壓力和流量具有一定波動(dòng)幅度的工況條件，流量計(jì)算機(jī)能自動(dòng)顯示瞬時(shí)流量、累積流量、壓力、溫度等參數(shù)，具有無(wú)壓損、可測(cè)脈動(dòng)流、自動(dòng)化程度高、現(xiàn)場(chǎng)使用操作簡(jiǎn)便、故障自診斷能力強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
Fig.4 Measurement result at different pressures under ideal installation condition(flow coefficient：1.0062)
3 結(jié)論
①對(duì)大口徑、高流量的計(jì)量系統(tǒng)宜采用超聲波流量計(jì)。
②超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度可優(yōu)于±0．5％，具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程比大、抗干擾能力較強(qiáng)、維修量小、可測(cè)雙向流等特點(diǎn)。為保證計(jì)量系統(tǒng)精度，在現(xiàn)場(chǎng)使用前須經(jīng)實(shí)流測(cè)試校準(zhǔn)，在拐點(diǎn)流量以下流量段應(yīng)慎用。
參考文獻(xiàn)：
[1]周偉國(guó)，胡海軍，金穎．超聲波流量計(jì)的應(yīng)用與誤差分析[J]．煤氣與熱力，2001，21(4)：337—339．
[2]鄧峪泉，黃淼．天然氣超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及檢定[J]．煤氣與熱力，2005，25(5)：44—46．
關(guān)鍵詞：天然氣； 超聲波流量計(jì)； 標(biāo)定； 實(shí)流測(cè)試
Application of Natural Gas Ultrasonic Flowmeter
FENG Bao-ting1．TANG Suo-chen2
(1．Tianjin Construction Management School，Tianjin 300250，China；2．Second Sales Branch of Tianjin Gas Group Co.，Ltd．，Tianjin 300191，China)
Abstract：The characteristics of natural gas ultrasonic flowmeter and the problems to be in need of solution are described，and the result of practical flow measurement is analyzed．
Key words：natural gas；ultrasonic flowmeter；calibration；practical flow measurement
天然氣流量測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響到燃?xì)馄髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，隨著我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)的發(fā)展，超聲波流量計(jì)在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用前景看好［1、2］。我國(guó)于2001年制訂了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2001《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。為了驗(yàn)證超聲波流量計(jì)的性能，我們對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，并在實(shí)地進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，為超聲波流量計(jì)在我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)中的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。
1 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)
根據(jù)超聲波流量計(jì)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，可將其分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、空間濾法及噪聲法等。超聲波流量計(jì)特別適用于大口徑管道流量的測(cè)量，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①可進(jìn)行非接觸式測(cè)量；②測(cè)量時(shí)無(wú)流動(dòng)阻擾，無(wú)壓力損失；③可測(cè)量非導(dǎo)電性液體。實(shí)地測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也證明超聲波流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程寬、抗干擾能力強(qiáng)、維修工作量少、能測(cè)量雙向流等優(yōu)點(diǎn)。
由于天然氣流量測(cè)量涉及面廣，隨著應(yīng)用對(duì)象的不同，對(duì)其在不同場(chǎng)合有不同的要求。盡管超聲波流量計(jì)有許多優(yōu)點(diǎn)，但還不可能完全替代其他類(lèi)型流量計(jì)。特別是在標(biāo)定不能妥善解決之前，孔板流量計(jì)仍是天然氣計(jì)量的主要儀器之一。目前，超聲波流量計(jì)還應(yīng)解決以下問(wèn)題：①針對(duì)上游不同類(lèi)型阻力件產(chǎn)生的影響，如何合理確定不同情況下流量計(jì)上游直管段的長(zhǎng)度；②操作壓力、溫度及氣體組成的變化對(duì)流量測(cè)量的影響及校正辦法；③不同雷諾數(shù)下速度分布削面修正系數(shù)的精確確定，以及流量計(jì)主體幾何尺寸的誤差對(duì)精度的影響。④探頭的穩(wěn)定性及互換性；⑤傳播時(shí)差法只適用于清潔的液體和氣體；⑥多普勒法只能用于測(cè)量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體，且測(cè)量精度不高。
2 超聲波流量計(jì)的測(cè)試
對(duì)用于貿(mào)易計(jì)量的超聲波流量計(jì)，供需雙方都要求其測(cè)量精度高，所以標(biāo)定很重要。對(duì)于直徑小于300mm的管道，超聲波流量計(jì)的標(biāo)定還可以做到；對(duì)于直徑大于300 mm的高壓大流量管道，超聲波流量計(jì)的標(biāo)定還很難辦到。
在計(jì)量站采用不確定度為0.25％的臨界流文丘里噴嘴作為流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，結(jié)合JJG 198—1994檢定規(guī)程進(jìn)行了以下測(cè)試：①不同聲道；②不同管徑：⑧不同安裝條件；理想安裝條件為17D以?xún)?nèi)無(wú)彎頭(D為管道的公稱(chēng)直徑)、無(wú)過(guò)渡部件、無(wú)阻力件等，流場(chǎng)較穩(wěn)定，無(wú)脈動(dòng)流，無(wú)旋渦流；非理想安裝條件為在超聲波流量計(jì)上游13D前安裝阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器等；④不同安裝方向；⑤不同壓力。測(cè)試結(jié)果如下．
①超聲波流量計(jì)適用于高壓、大口徑、大流量的工況條件，但對(duì)小于拐點(diǎn)流量(拐點(diǎn)流量用qt表不，一般是最大流量的10％)的流量段應(yīng)慎用。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，對(duì)直徑為300mm的管道在理想安裝條件下和非理想安裝條件下測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，除流量為240m3/h時(shí)，非理想安裝條件下測(cè)試相對(duì)誤差為1.45％外，其余各點(diǎn)都在指標(biāo)內(nèi)。
②超聲波流量計(jì)的計(jì)量不受氣體流向的影響，能以相同的準(zhǔn)確度進(jìn)行雙向流量計(jì)量(見(jiàn)圖1)
Fig.1 Results of positive and inverse flow measurement under ideal installation condition
③對(duì)同一生產(chǎn)廠(chǎng)家的超聲波流量計(jì)，聲道數(shù)越多，計(jì)量準(zhǔn)確度越高，性能越可靠(見(jiàn)表1)。
表1 理想安裝條件下聲道數(shù)對(duì)超聲波流量計(jì)的影響
Tab.1 Influence of number of sound channels on ultrasonic flowmeter under ideal installation condition
序號(hào) 聲道 流量≤qt 流量>qt
相對(duì)誤差/％ 重復(fù)性/％ 相對(duì)誤差/％ 重復(fù)性/％
1 五聲道 -0.32 0.16 -0.64 0.30
2 三聲道 -0.38 0.20 O．93 0.26
3 雙聲道 -0.65 -0.39 -0.77 0.26
4 單聲道 0.96 0.44 -1.14 0.48
④超聲波流量計(jì)的出廠(chǎng)檢定與實(shí)流標(biāo)定之間存在誤差，出廠(chǎng)檢定合格后，需經(jīng)實(shí)流校準(zhǔn)。有時(shí)由于安裝造成的相對(duì)誤差可能超過(guò)0.3％，如四聲道超聲波流量計(jì)出廠(chǎng)時(shí)流量系數(shù)為1.0062，在理想安裝條件下測(cè)試能保證精確度優(yōu)于±0.5％，但在非理想安裝條件下實(shí)流校準(zhǔn)設(shè)置牟問(wèn)?薹ù銼輳?虼擻Ω?菹殖」た黿?惺盜髁勘甓?見(jiàn)圖2)。
Fig.2 Results of flow measurement before and after coefficient adjustment under non-ideal installation condition
⑤對(duì)直徑為300 mm的流量計(jì)，從三聲道和四聲道超聲波流量計(jì)在同等條件下的測(cè)試結(jié)果可以看出，在流量計(jì)聲道出現(xiàn)故障時(shí)，聲道多的流量計(jì)能有效進(jìn)行判斷和補(bǔ)償(見(jiàn)圖3)。
Fig.3 Measurement result of ultrasonic flowmeter with three and four sound channels(flow coefficient：1.0062)
⑥超聲波流量計(jì)在理想安裝條件下，壓力為2.0、1.2、0.8MPa，流量的相對(duì)誤差略有不同(見(jiàn)圖4)，流量的相對(duì)誤差、重復(fù)性和峰間誤差均達(dá)標(biāo)。在超聲波流量計(jì)入口無(wú)旋渦流和脈動(dòng)流情況下，在正常工作壓力范圍內(nèi)，能保證超聲波流量計(jì)精度優(yōu)于±0.5％。
在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，將五聲道超聲波流量計(jì)和四聲道超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)進(jìn)行了比較，試驗(yàn)管道的直徑為300 mm，工作壓力約0.9MPa，流量約6000 m3/h。還采用五聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量直徑為300 mm的管道的流量，用單聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量直徑為1500mm的管道的流量，結(jié)果表明其性能穩(wěn)定、可靠，能適應(yīng)壓力和流量具有一定波動(dòng)幅度的工況條件，流量計(jì)算機(jī)能自動(dòng)顯示瞬時(shí)流量、累積流量、壓力、溫度等參數(shù)，具有無(wú)壓損、可測(cè)脈動(dòng)流、自動(dòng)化程度高、現(xiàn)場(chǎng)使用操作簡(jiǎn)便、故障自診斷能力強(qiáng)、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
Fig.4 Measurement result at different pressures under ideal installation condition(flow coefficient：1.0062)
3 結(jié)論
①對(duì)大口徑、高流量的計(jì)量系統(tǒng)宜采用超聲波流量計(jì)。
②超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度可優(yōu)于±0．5％，具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、量程比大、抗干擾能力較強(qiáng)、維修量小、可測(cè)雙向流等特點(diǎn)。為保證計(jì)量系統(tǒng)精度，在現(xiàn)場(chǎng)使用前須經(jīng)實(shí)流測(cè)試校準(zhǔn)，在拐點(diǎn)流量以下流量段應(yīng)慎用。
參考文獻(xiàn)：
[1]周偉國(guó)，胡海軍，金穎．超聲波流量計(jì)的應(yīng)用與誤差分析[J]．煤氣與熱力，2001，21(4)：337—339．
[2]鄧峪泉，黃淼．天然氣超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及檢定[J]．煤氣與熱力，2005，25(5)：44—46．
