福贵工业

  1 概述

    天然气作为一种高效、清洁的能源和化工原料，其开采和应用越来越广泛，而在天然气开采、长距离传输以及终端贸易结算等环节中，如何做到可靠的过程控制计量和贸易结算计量，正日益引起人们的重视。我国天然气贸易计量以往大多采用的是传统仪表如涡轮、腰轮流量计以及孔板流量计等，随着超声技术的发展和流量测试技术研究的深入，一种新概念速度式高精度流量测量仪表——气体超声流量计被引入了天然气的计量领域。20世纪90年代中后期，气体超声流量计因其与传统节流装置相比，具有可双向测量，大量程比，无压损，无可动部件，高精度及重复性好等优势，无论在国外还是在国内都得到了较为广泛的发展。

    1998年，美国AGA（美国天然气协会）发布了AGA9号报告《用多声道超声流量计测量天然气流量》；ISO也发布了ISO/TR—12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管内的流体流量》技术报告。这些由权威机构发布的报告大大推动了气体超声波流量计的产业化发展。

    为了适应我国天然气开发需要，满足长输天然气管道计量的需求，我国于2000年引进了气体超声流量计，开展了一系列产品验证及可行性评估研究。并于2001年编制了GB/T18604《用气体超声流量计测量天然气流量》的国家标准。随着我国天然气管道建设的发展，INSTROMAT、DANIEL等多家外国公司的气体超声流量计开始大量应用于我国天然气长输管道的贸易计量。

    我国于2002年开始研制国产气体超声波流量计，由国内具有70多年仪表生产经验的上海维思仪器仪表有限公司承担研发工作，2005年取得了样机型式认证、生产许可证和防爆认证。2006年该公司生产的气体超声流量计在华阳天然气流量测试中心通过了符合GB/T18604—2001《用气体超声流量计测量天然气流量》标准的实流测试。同年该产品提供给西北、华东和东北地区的不同用户试用，截止到目前，已有近70套国产气体超声流量计产品应用在全国天然气和城市燃气等计量领域。

    2 超声波流量计的原理

    气体超声流量计采用速度差法进行气体流量的测量。在气体超声流量计的测量管段上安装一对或多对超声换能器（传感器），以其中一对超声换能器为例，超声换能器1和2交替发射和接收超声波，采用超声波检测技术，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差计算出气体流速，并根据已知的测量管道直径换算出管道内气体流体的工况流量。由于气体的可压缩性，实际应用中需要测量工艺管道中气体的压力、温度以及气体介质的不同组分摩尔数值，通过计算压缩因子和温度、压力补偿，较终计算出标准状态下气体的体积流量。流量计原理示意见图1。

    如图1所示，假设两换能器间的超声传播距离

图1 流量计原理示意

   为L，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c0，则当管道内气体流速为u时，超声波沿气流顺向传播和逆向传播的声速c1、c2分别为：

       (1)

    式中：t1——超声波顺向传播时的声时；t2——超声波逆向传播时的声时；τ1——超声波顺向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时；τ2——超声波逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时。

    声速差∆c：

即：

      （2）

    公式（2）即为速差法流量测量的基本原理表达式。从公式（2）可以看出，速差法测量具有很大的优越性，测得的流速与媒质的声速c0（即成分）无关。这对于生产现场实际测量是十分有利的。

    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：

      （3）

式中：D——管道直径。转换成标准工况下气体的瞬时流量Q0：

       （4）

    式中：P——管道中工况条件下气体的压力；T——管道中工况条件下气体的温度；Z——管道中工况条件下气体的压缩因子；P0——标准工况下气体的压力；T0——标准工况下气体的温度；Z0——标准工况下气体的压缩因子。

    通过对现场连续测量得到的瞬时流量进行累计，即可得到管道内气体的累积流量。

    3 国内外气体超声流量计性能比较

    3.1 换能器工作频率

    由于气体超声流量计中换能器（传感器）工作频率上的差异，超声信号在气体介质中的衰减程度各不相同，超声频率高，信号衰减比较大；在实际应用过程中，压力提高，气体介质的密度增加，超声信号的衰减程度减小。进口的气体超声流量计的工作频率比较高，一般在100～200kHz。其优点是抗噪声和抗电磁干扰的能力强（一般干扰信号都在50kHz以下），接收信号检波时误差小、精度高等；缺点是在低压力气体条件下或在组分异常情况下，由于信号衰减而不能进行正常工作。INSTROMAT的产品根据压力应用范围分为0.3～1.0MPa、1.6～4.0MPa、6.3～15MPa几个等级，而DANIEL公司的产品较低压力从0.7～1.0MPa开始（以上数据来源于厂家产品手册）。

    国产产品是基于自主研发的完全知识产权的超声波换能技术，可通过自动增益调整，根据不同气体的工况条件自动变更换能器的工作频率以满足压力变化的需要。因而，国产气体超声流量计的应用压力范围比较宽，较低工作压力可达到20kPa。由于拥有独创的换能器信号增强技术，即便是在国内某些区域，当气体组分情况超过美国AGA8号报告所限定的正常范围时，国产超声流量计仍然能够正常工作，并取得较好的计量精度。

    3.2 量程比

    从现场应用测试数据看，部分进口产品在精度范围内实际的量程比为1：10，超过1：10后流量的复现性会变差。而国产产品由于信号覆盖范围较大，在精度范围内，量程比可达到1：20以上。因此，在压力变化较大、流量范围变化剧烈的应用场合，国产超声流量计具有较大的技术优势。

    3.3 故障诊断

    国外公司由于具有十几年的气体超声流量计开发、生产和应用的经验，积累了许多计量系统运行方面的数据，在流量计故障诊断方面做了大量的工作，如数字自动增益倍数的记录、信噪比、接收信号百分比、理论声速和实测声速的比较等，JJG1030—2007超声流量计计量检定规程已经将故障诊断的有关内容列为必检内容。鉴于新检定规程已经颁布，国产新一代具备全部故障诊断功能的气体超声流量计，将于近期推向市场。

    3.4 修正计算的配置

    进口气体超声波流量计通常由流量计和流量计算机两部分组成。在应用现场的转换器获得的只是工况流量，现场不对由于温度和压力变化引起的表体几何尺寸变化进行参数修正，也不对温度和压力引起的气体压缩因子的变化进行修正，所有温度和压力修正需要在远程控制室中的流量计算机上完成。在某些情况下，并不能完全反映现场即时情况，在一定程度上会造成计量不准确。国产气体超声流量计完全克服了这一问题，温度和压力变化对几何尺寸以及压缩因子的影响在现场就可进行即时测量和修正。

    3.5 现场显示

    国产气体超声波流量计由于可完成现场标况流量补偿计算，因此也具备了现场显示标况流量信息的能力，方便了用户对现场信息的掌握和采集，在某些应用场合，用户甚至不需要再配备价格昂贵的流量计算机，就可以完成对流量信息的采集和控制。而进口产品基本不具备现场观察功能，有的也仅仅是瞬时工况流量。

    3.6 服务和价格

    国产气体超声流量计产品由于拥有地域及人力资源的天然优势，具有技术支持响应时间短，售后服务到位、零部件费用经济的优势，克服了进口气体超声流量计的产品价格和技术支持费用较高，售后服务响应时间较长，零配件费用较贵的问题。

    4 气体超声流量计安装要求

    气体超声波流量计是一种速度式的流量计，要求测量管段流体的流速剖面均匀对称，并且要尽可能地减少漩涡流。同时为了将不对称流的影响降到较低，需在气体超声流量计前后安装直管段，在前直管段中加装整流器。表体及前后直管段安装示意见图2。

图2 表体及前后直管段安装示意

    一般情况下，气体超声波流量计安装的位置要远离振动源，避免安装在可能引起信号处理单元及超声换能器等部件发生频率共振的位置。工艺管道中的调节阀要尽量安排在流量计的后面，并要保证一定的安装距离。

    有些情况下尽管在调节阀与流量计之间装有汇流管，还是遇到调节阀由于振动频率与流量计换能器频率接近造成计量误差的问题。解决该问题较好的方式是在安装前期，厂方派遣专业工程师到现场测试应用场合的振动数据，并按照现场情况选配或定制合适的气体超声流量计换能器的工作频率，避免由此造成的测量误差。

    国产厂家目前可以为用户提供完善的售前技术支持和现场专业指导，只要用户与厂家进行安装位置选择和测量调试的配合，可以避免因安装引起的测量误差问题。

    5 国产气体超声流量计的应用实例

    5.1气体超声流量计在煤气管道的应用

    上海市煤气公司需要在输气管网中增加能够双向计量的流量计。由于所测量的煤气中含杂质较多，且CO2的含量过高，进口流量计无法满足要求。2006年，上海维思仪器仪表有限公司对在用的4套流量计进行了更新改造，选用了3套口径为DN700和1套口径为DN1000的国产气体超声流量计，并配备了换能器在线更换装置、流量计算机、断电保护系统和远程控制系统。与普通气体超声流量计相比，增加了断电保护和报警、数据远传、远程系统恢复等功能，用户不用到现场即可完成抄表、下载数据和修改数据等工作。投运两年多，气体超声流量计和配套系统均运行稳定、计量可靠。

    5.2 气体超声流量计在油气田的应用

    某气田集气站使用的DN150国产气体超声流量计于2007年5月正式投入使用，流量计工作压力为2.3～2.5MPa。该站进气计量仪表采用进口SICKDN100气体超声流量计，出站计量采用国产气体超声流量计，下游集气总站采用进口DANIEL气体超声流量计。该站流量约为40万m3/d，每日上下游对比，减去每个站的排空消耗，各集气站之间每日数据相差为200～1000m3，这个数据包括集气站的废气消耗。国产与进口仪表的计量累计误差在0.3%以下，都满足0.5级表误差范围。

    5.3 气体超声流量计在城市燃气门站的应用

    某城市天然气门站上游采用一台口径为DN300进口气体超声流量计，下游采用一台口径为DN300的国产气体超声流量计。国产气体超声流量计于2007年11月在成都华阳天然气大流量计量站取得0.5级标定证书，2007年12月安装投入使用。

    该燃气管网压力不高，通常在0.4～0.6MPa之间。在城市居民用气高峰时，该门站管网压力不能人为调整，因而管道内较高流速达到38m/s（设计流速为30m/s），管道内压力约为0.45MPa。由于压力下降，流量提高，进口气体超声流量计常常出现问题，不能正常计量，但国产气体超声流量计在这种工况下表现出了在低压状态下也能正常计量的优势。该站每日用气量约在30万m3，国产流量计与进口流量计对比相差约在几百m3。由此可见，国产气体超声流量计能够满足0.5级表误差规范。

    6 国产气体超声流量计的发展前景

    准确地进行天然气流量计量是企业部门进行经济分析、降低运行成本的关键环节，直接影响着企业的经济效益，倍受供需双方关注。随着世界能源供求的日益紧张，人们都十分关心并寻求一种精度高、运行可靠、适应性强的流量计来测量天然气流量，以维护企业的利益。超声流量计自投放市场以来，与目前其他类型流量计相比，显然具有更好的性能特性，因而倍受用户青睐。［1］

    目前国内规划建设中的天然气输气工程，贸易计量的首选流量计为超声流量计，口径DN250～DN300mm。由于进口气体超声流量计成本较高，以及国内实流标定能力等问题尚未很好解决，中小型站场仍然选用DN50～DN200mm涡轮流量计。而国产气体超声流量计在价格和服务等方面具有一定优势，可以填补中小型站场使用气体超声流量计的空白。

    国产气体超声波流量计测量精度高、量程比大、无压损、无可移动部件，符合JJG1030—2007中华人民共和国国家计量检定规程超声流量计。同时该产品大量采用了与国内天然气管道广泛应用的管道材料、法兰、直管段等一致的压力密封材料和配件，可满足中高压力（10MPa以上）的长输天然气管道建设需求。

    从实际应用情况分析，虽然国产气体超声流量计的研制工作起步比较晚，但与进口产品相比较，具有显著的应用技术和经济成本优势。虽然目前尚没有在长距离、高压、大口径天然气管道上应用的经验，但已有一批较为成熟的产品应用于中低压输气管道和城镇燃气管道上，且运行状况良好。

    基于国家宏观战略规划的考虑，为了提高能源资源管理的准确性和能源技术安全性，大力支持和推广国产气体超声流量计在天然气开采、输送、集气站、气体处理厂、集输管道、长输管道、地下储气库以及煤层气田等各个环节的全面应用，具有非常重要的意义。因此，国产气体超声流量计在输气管道建设领域的应用，将有着非常广阔的发展前景。

    参考文献：

    [1] 魏廉敦.气体超声流量计的应用探讨[J/OL].中国气体分离设备商务网，2005.
    [2] 段继芹.气体超声流量计在我国天然气计量现场的适用性研究[D].西南石油学院，2002.