超聲波流量計在天然氣計量上的探索與應用

計量差管理是燃氣企業一項重要工作。本文首先介紹了超聲波流量計的計量原理、測量范圍以及安裝要求等，并與渦輪流量計作對比。在此基礎上，結合我公司對公共衛生臨床中心的試點實例，探索了使用超聲波流量計開展燃氣計量的效果，并得出相應結論。

1實施背景

天然氣計量是其使用過程中的一個重要環節,流量計量是天然氣供需雙方貿易結算時的一個非常重要的依據,同時也是天然氣生產方的一個關鍵的技術和產能指標。流量計量在企業生產和經營管理的過程中,是一項關鍵的技術性工作。準確的天然氣計量結果,能夠保證貿易結算的公平性,并且在一定程度上能夠改進天然氣生產工藝,降低生產成本,確保天然氣的安全生產,提高社會效益和經濟效益。然而天然氣行業中卻一直存在著計量差現象,計量差問題已經成為制約行業發展的重要因素。我公司近幾年來逐步加大計量增效力度,例如實施門站一級和二級計量管理、戶內無線遠程計量、大用戶流量計實施SCADA管理等。通過采取上述的計量改進措施,為公司創造了經濟效益,改善了公司的經營業績。但是從管理實踐中發現,僅采取上述的措施還遠不夠。為深化改進燃氣計量差管理工作,我們在各管網進行等級計量的前提下,采用超聲波計量表對各區域開展計量試驗,縮小計量數據誤差,從而實現燃氣計量的降差、增效目標。

2.不同流量計的對比

目前天然氣管網上使用的大流量計以渦輪流量計為主,為了測試超聲波流量計與渦輪流量計各自的性能,我們從測量原理、測量范圍等方面進行了對比分析。

2.1 計量原理

渦輪流量計是一種速度式流量儀表，測量本體是渦輪流量傳感器，主要由葉輪和磁感應線圈組成，葉輪軸心與管道中心相同，可以自由轉動，其葉片與氣體流動方向成一定角度。在流體沖擊下，渦輪沿管道軸向旋轉，其旋轉速率隨流量變化而不同，流速越高，動能越大，渦輪的轉速也越高。渦輪的轉速經電磁感應轉換器轉換為相應的頻率電脈沖，通過顯示儀表進行積算和顯示，如圖1所示。

超聲波流量計采用時差法進行流量測量，工作原理如圖2所示。利用兩個相向的傳感器，收發超聲波，每一個傳感器都具有信號發射以及信號接受功能，超聲波脈沖能量在管壁、流體中，以一定的角度在兩個傳感器之間相互傳播；流體流速會在一定程度上影響到超聲波脈沖在兩個傳感器之間的傳播，從上游傳感器向下游傳感器，聲速度和流體速度混合而變快，從下游傳感器到上游傳感器，聲速度中抵消了流體速度而變慢，造成上游和下游傳播時間的凈時間差和流速成正比例。由于時差法測量系統不存在內在慣性，所以時差法流量計有很強的靈敏性，同樣適用于低流速和低流量。

2.2測量范圍

渦輪流量計的測量范圍是20m3/h~400m3/h。

超聲波流量計的測量范圍為2m3/h~300m3/h（始動流量0.7m3/h）。

2.3安裝要求及維護

渦輪流量計對管輸天然氣的流態非常敏感，而流量計入口前端的阻流設備（分離除塵、管道彎頭、旋風分離器和過濾器等）可能使流態改變而影響轉子的旋轉。為此，一般在渦輪流量計入口和出口端各加接一直管段，其入口端長度不小于10倍管段內徑，出口端長度不小于5倍管段內徑。若安裝空間不能滿足上述要求時，可在阻流設備與渦輪流量計之間安裝整流器。另外，變送器電源線需采用金屬屏蔽線，且接地良好可靠。渦輪流量計的測量元件是轉動的葉輪，并使用了軸承，在使用過程中還應勤于加油，定期維護。

超聲波流量計的安裝要求如下：

（1）超聲波流量計傳感單元安裝時需在管道停運狀態完成，一般設計為兩路支線分別切換進行安裝;（2）測量儀表的傳感單元尺寸必須與管輸內外徑相一，其誤差應控制在±1%以內，以免安裝產生偏差；

（3）為了能夠有效避免換能器聲波表面受顆粒或空氣干擾，超聲波流量計傳感單元***好選在與水平方向450的范圍內安裝，盡量避免干擾。此外，在天然氣含液較多的場合，氣體超聲波流量計及其計量管段的安裝位置不應低于其上下游管道，使得天然氣中凝析出來的液體能夠隨氣流被帶走，不在氣體超聲波流量計處堆積，造成計量故障；

（4）上下游應保證有必要的直管段，上游直管段***少10D，下游直管段至少為5D；

（5）超聲波流量計安裝需要前后避開阻力構件如（彎頭、閥門、變徑處），如在垂直管道安裝，其換能器的安裝位需在上游彎管的彎軸平面內，以獲得彎管流場畸變后較接近的平均值；

（6）換能器安裝處和管道壁反射處必須避開接口和焊縫；

（7）換能器安裝處的管道襯里和垢層不能太厚，襯里和管壁間不能有間隙，同時內壁做好清銹工作；

（8）換能器工作面與管輸器壁間應選用合適的耦合劑，保證連接面無雜質顆粒或空氣存在，避免超聲波傳輸過程中引入不同傳播媒介而產生的誤差。

在維護方面，由于超聲波流量計結構簡單，無可動部件，日常維護量幾乎為零，從而提高了產品耐用性，降低了人工成本。

表1為超聲波流量計和渦輪流量計性能綜合對比表）。同時在該超聲波流量計后串聯一臺渦輪流量計，進行超聲波流量計和渦輪表計量對比分析。該試驗點如圖3 所示：

3.應用實例

為探索超聲波流量計在實際應用過程中的可靠性和*性，公司于2013年3月對公共衛生中心調壓器（PRS-300-1SB-2/3）實施區域計量改造。公共衛生臨床中心的天然氣使用地點較為分散，從總表房延伸出的各分支管道，在每個用氣點都有分表計量。例如食堂、煎藥房、手術室等均采用G2.5的皮膜表計量，另有焚燒爐間采用G40腰輪表計量。

本次試點過程中，用1臺超聲波流量計取代現有管道上的14臺計量分表（12臺膜式燃氣表、2臺腰輪在調壓器出口配置1臺精度等級為1.0級的智能一體型超聲波流量計，作為區域計量總表。

為了取得***佳的測試效果，本項目采取了整體設計組裝施工，盡量降低由于安裝不當而產生的相對誤差。

根據現場調壓設備的使用情況，在進氣口閥門后加裝了整流器，超聲波流量計前直管段>3D，后直管段>2D，超過安裝整流器必須的直管段距離，確保天然氣流場充分、流速平均。

4.實施成效

4.1計量管理成效

分析2013年5月10日的數據記錄可知：當壓力值在102.2kPa~103.1kPa之間，溫度值在16℃~21.3℃之間。超聲波的瞬時流量顯示值和渦輪表修正儀的瞬時流量顯示值相差在1.2%左右，對比各自的累計流量數據，卻發現數據累計差值較大。見表2。

從試驗數據中觀察到，當瞬時流量達到20m3/h以上時，兩個流量計的顯示值相差并不大。但在整點分段進行累計流量對比時，它們之間的輸差平均在5%左右。此測試是作為區域總表方式與渦輪流量計進行的對比測試，后面有多個用氣點，用氣波動大，出現累計流量誤差大的原因，主要是天然氣流量較小時渦輪流量計無法計量。表2的數據記錄反映：17:00~17:30這個時間段醫院的用氣量***小，超聲波流量計顯示用氣量為0.8m3，而渦輪流量計沒有任何計量，顯然屬于漏計狀態。

4.2直接經濟成效

探索超聲波流量計在燃氣計量上降差、增效的新途徑，此舉措不僅在計量表的選型及日常維護上有優勢，而且此次試點結果表明已取得了顯著的經濟效益，計量情況如表3和圖4所示。

表3反映出超聲波流量計在燃氣計量上，產生以下兩個顯著的效益。

（1）超聲波計量數據作為貿易結算直接增加的效益情況：

截止2014年10月采用超聲波流量計作為公共衛生中心區域計量，直接減少差量1.61萬m3，平均減少差量805m3/月，直接收益金額累計為6.22萬元，平均增加3千元/月。

（2）超聲波流量計與渦輪表流量計在計量上增加的效益情況：

從表3同時可以看出超聲波流量計與渦輪表數據上的優勢，截止2014年10月，超聲波流量計比渦輪表減少差量1.07萬m3，增加收益金額為4.13萬元。

5.結論

通過探索使用超聲波流量計開展燃氣計量，尋求燃氣計量管理降差和增效新途徑，實踐表明：

（1）在滿足前后直管段條件下，單聲道超聲波流量計的性能得以體現，尤其在小流量計量方面比渦輪流量計有明顯優勢。并且隨著時間的推移，渦輪、腰輪流量計的計量精度一定會隨之下降，而超聲波流量計在精度穩定性方面可以保持長期不變。超聲波流量計有助于提高天然氣計量水平，且在燃氣計量上可產生顯著的經濟效益。

（2）超聲波流量計流量范圍廣，無論是新裝用戶或是舊表改造，都可以靈活的用小口徑超聲波流量計來替代大口徑皮膜表和渦輪流量計，比如DN50超聲波流量計就可以達到DN80渦輪流量計的量程范圍。相對在管道選配，閥門及其他零配件的選擇上可以降低成本，同時因其結構簡單，無可動部件，在后期使用中能做到基本免維護，省心省力。

（3）超聲波流量計因其有超大量程比，如果用作居民小區總表配合目前成熟的物聯網數據遠傳技術，可以實現整個城區輸差的實時動態顯示。如果用作商業圈區域計量，可以進一步提高區域燃氣計量差，實時了解整個城市的輸差、以及用氣高峰等數據，這為燃氣公司管網運營調度管理、計量輸差查找、管道泄漏安全等方面，提供實時的數據支撐，進一步解決現階段無法實現的城市管網實時動態輸差管理、管道破裂預知、調峰用氣等難題。