关键词：天然气； 超声波流量计； 标定； 实流测试
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
天然气流量测量的准确性直接影响到燃气企业的经济效益，随着我国燃气行业的发展，超声波流量计在天然气领域的应用前景看好［1、2］。我国于2001年制订了国家标准GB/T 18604—2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》。为了验证超声波流量计的性能，我们对超声波流量计进行了系统测试，并在实地进行了测量试验，为超声波流量计在我国燃气行业中的推广使用积累经验。
1 超声波流量计的特点
根据超声波流量计对信号检测的原理，可将其分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、空间滤法及噪声法等。超声波流量计特别适用于大口径管道流量的测量，主要有以下优点：①可进行非接触式测量；②测量时无流动阻扰，无压力损失；③可测量非导电性液体。实地测试与现场应用也证明超声波流量计具有准确度高、重复性好、量程宽、抗干扰能力强、维修工作量少、能测量双向流等优点。
由于天然气流量测量涉及面广，随着应用对象的不同，对其在不同场合有不同的要求。尽管超声波流量计有许多优点，但还不可能完全替代其他类型流量计。特别是在标定不能妥善解决之前，孔板流量计仍是天然气计量的主要仪器之一。目前，超声波流量计还应解决以下问题：①针对上游不同类型阻力件产生的影响，如何合理确定不同情况下流量计上游直管段的长度；②操作压力、温度及气体组成的变化对流量测量的影响及校正办法；③不同雷诺数下速度分布削面修正系数的精确确定，以及流量计主体几何尺寸的误差对精度的影响。④探头的稳定性及互换性；⑤传播时差法只适用于清洁的液体和气体；⑥多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体，且测量精度不高。
2 超声波流量计的测试
对用于贸易计量的超声波流量计，供需双方都要求其测量精度高，所以标定很重要。对于直径小于300mm的管道，超声波流量计的标定还可以做到；对于直径大于300 mm的高压大流量管道，超声波流量计的标定还很难办到。
在计量站采用不确定度为0.25％的临界流文丘里喷嘴作为流量标准装置，结合JJG 198—1994检定规程进行了以下测试：①不同声道；②不同管径：⑧不同安装条件；理想安装条件为17D以内无弯头(D为管道的公称直径)、无过渡部件、无阻力件等，流场较稳定，无脉动流，无旋涡流；非理想安装条件为在超声波流量计上游13D前安装阻力件、双弯头、T形弯头、伸缩器等；④不同安装方向；⑤不同压力。测试结果如下．
①超声波流量计适用于高压、大口径、大流量的工况条件，但对小于拐点流量(拐点流量用qt表不，一般是最大流量的10％)的流量段应慎用。在标准工况下，对直径为300mm的管道在理想安装条件下和非理想安装条件下测试结果进行比较，除流量为240m3/h时，非理想安装条件下测试相对误差为1.45％外，其余各点都在指标内。
②超声波流量计的计量不受气体流向的影响，能以相同的准确度进行双向流量计量(见图1)
Fig.1 Results of positive and inverse flow measurement under ideal installation condition
③对同一生产厂家的超声波流量计，声道数越多，计量准确度越高，性能越可靠(见表1)。
表1 理想安装条件下声道数对超声波流量计的影响
Tab.1 Influence of number of sound channels on ultrasonic flowmeter under ideal installation condition
序号 声道 流量≤qt 流量>qt
相对误差/％ 重复性/％ 相对误差/％ 重复性/％
1 五声道 -0.32 0.16 -0.64 0.30
2 三声道 -0.38 0.20 O．93 0.26
3 双声道 -0.65 -0.39 -0.77 0.26
4 单声道 0.96 0.44 -1.14 0.48
④超声波流量计的出厂检定与实流标定之间存在误差，出厂检定合格后，需经实流校准。有时由于安装造成的相对误差可能超过0.3％，如四声道超声波流量计出厂时流量系数为1.0062，在理想安装条件下测试能保证精确度优于±0.5％，但在非理想安装条件下实流校准设置的参数无法达标，因此应根据现场工况进行实流量标定(见图2)。
Fig.2 Results of flow measurement before and after coefficient adjustment under non-ideal installation condition
⑤对直径为300 mm的流量计，从三声道和四声道超声波流量计在同等条件下的测试结果可以看出，在流量计声道出现故障时，声道多的流量计能有效进行判断和补偿(见图3)。
Fig.3 Measurement result of ultrasonic flowmeter with three and four sound channels(flow coefficient：1.0062)
⑥超声波流量计在理想安装条件下，压力为2.0、1.2、0.8MPa，流量的相对误差略有不同(见图4)，流量的相对误差、重复性和峰间误差均达标。在超声波流量计入口无旋涡流和脉动流情况下，在正常工作压力范围内，能保证超声波流量计精度优于±0.5％。
在现场测试时，将五声道超声波流量计和四声道超声波流量计与孔板流量计进行了比较，试验管道的直径为300 mm，工作压力约0.9MPa，流量约6000 m3/h。还采用五声道超声波流量计测量直径为300 mm的管道的流量，用单声道超声波流量计测量直径为1500mm的管道的流量，结果表明其性能稳定、可靠，能适应压力和流量具有一定波动幅度的工况条件，流量计算机能自动显示瞬时流量、累积流量、压力、温度等参数，具有无压损、可测脉动流、自动化程度高、现场使用操作简便、故障自诊断能力强、测量范围宽、抗干扰能力强等优点。
Fig.4 Measurement result at different pressures under ideal installation condition(flow coefficient：1.0062)
3 结论
①对大口径、高流量的计量系统宜采用超声波流量计。
②超声波流量计计量准确度可优于±0．5％，具有准确度高、重复性好、量程比大、抗干扰能力较强、维修量小、可测双向流等特点。为保证计量系统精度，在现场使用前须经实流测试校准，在拐点流量以下流量段应慎用。
参考文献：
[1]周伟国，胡海军，金颖．超声波流量计的应用与误差分析[J]．煤气与热力，2001，21(4)：337—339．
[2]邓峪泉，黄淼．天然气超声波流量计的应用及检定[J]．煤气与热力，2005，25(5)：44—46．
