气体超声流量计在气田贸易计量系统中的应用

　　0　引言

　　由于气体超声流量计具有测量范围宽、便于安装、易维护、流量测量的影响因素少、准确度高、重复性好等特点,使其成为天然气贸易计量领域的一种很重要的流量计量仪表。随着“西气东输”工程及其下游天然气利用工程的不断建设,气体超声流量计用于天然气贸易交接计量,获得了长足的发展,并逐步为用户接受。

　　1　工作原理及特点

　　1.1　气体超声流量计的工作原理

　　气体超声流量计是指采用超声波传播时间差法进行气体流量测量的超声流量计。其基本工作原理是:在有流体流动的管道中,超声波脉冲顺流传播的速度要大于逆流传播时的速度,即在相同行程内,超声波信号顺流的传播时间比在逆流情况下要短,管道内流体的流速越大,超声波顺流和逆流传播的时间差越大。气体超声流量计就是通过测量高频声脉冲在管道内顺、逆流条件下的传播时间差(该时间差与气体轴向平均流速有关),从而使用数值计算技术,计算工作条件下通过气体超声流量计的气体轴向平均流速和流量。气体超声流量计的基本工作原理,如图1所示。

　　测量原理:

　　式中:t1为顺向传播时间;t2为逆向传播时间;C为在被测气体中的声速;V为气体流动速度;L为上下游传感器间距离;X为传感器轴向距离;D为仪表孔径;Q为被测气体工况流量。

　　气体超声流量计的设计是基于以下假设进行的,即,对于任何稳定的管道内流体,其流速是以管轴为中心对称分布的。而实际情况是流体在管道内流动时,流速很少沿管轴对称分布,它们受上游管道的安装、管道状况、现场阻流件和其它因素等的影响,所有这些都会影响流体流速的对称分布。为此,世界各著名的超声流量计生产厂,对此进行了许多实验模拟,各自提出了非对称流体流量测量的解决方案,如荷兰Instromet公司的五声道超声流量计,采用多反射声程加长技术,即沿管轴线对称分布三组单反射传感器和两组二次反射传感器,据此制定相应的仪表信号处理方案,以修正速度分布畸变与旋转流对测量值的影响;美国Daniel公司的四声道高级超声流量计,则采用对射式,四组对射传感器分布在四个平行的平面上,传感器呈“X”型分布,使之更有利于涡流或偏流等流体的测量。

　　下面以Daniel高级超声波流量计为例,简述其基本构成。该流量计通过测量在四个并行的测量通道上超声波通过流动气体时的传输时间,以精确获取通过仪表的气体平均流速。四个测量通道的选择充分考虑到在不受流体特性影响下取得最优的精度。四个测量通道均与管轴呈45°角分布。每条测量通道拥有2个超声波传感器,交替作为超声波信号能量的发送及接受装置,用来测量超声波通过顺流和逆流时的传输时间。传感器被安装在表壁的固定位置上,距离X与L在仪表制造组装时即已确定。对于每台超声流量计这些参数都是对应固定的,这些确定的距离,可通过高精度的精密加工实现,结合对每对传感器的电子特性的测量,使得超声流量计能够在无需进行标定的情况下,获得很高的精度和重复性。