文章對(duì)超聲波天然氣流量計(jì)的工作原理、計(jì)量特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)超聲流量計(jì)在采氣二廠外貿(mào)計(jì)量中的應(yīng)用和效果作了簡(jiǎn)要的分析評(píng)價(jià)，并對(duì)超聲流量計(jì)使用過(guò)程中存在的問(wèn)題作了簡(jiǎn)要分析，提出了自己的認(rèn)識(shí)和建議，對(duì)今后更好地使用超聲流量計(jì)提供了幫助。
近年來(lái)，隨著長(zhǎng)慶油田天然氣勘探、開(kāi)發(fā)的不斷深入，天然氣事業(yè)進(jìn)入了大規(guī)模發(fā)展階段，天然氣流量計(jì)量成為天然氣開(kāi)發(fā)與管理中的一項(xiàng)重要工作，在天然氣的生產(chǎn)、輸送，特別是分配、交易過(guò)程中，考慮到供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益，要求流量計(jì)具有精度高、能耗低、維修量少的優(yōu)良特性，尤其是對(duì)于大口徑流量的測(cè)量，這種特性顯的更為重要，超聲波流量計(jì)是一種非接觸式測(cè)量流量的儀表，它利用超聲波在流體中的傳播特性來(lái)測(cè)量流體的流速和流量，較其它流量計(jì)具有計(jì)量精度高、不節(jié)流、無(wú)壓力損失等優(yōu)點(diǎn)，特別適合天然氣的在線高精度貿(mào)易計(jì)量。
2 超聲波流量計(jì)在我廠使用概況
長(zhǎng)慶油田**采氣廠擔(dān)負(fù)著向首都北京供氣的主要任務(wù)，貿(mào)易計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠與否，直接關(guān)系著交易雙方的切身經(jīng)濟(jì)利益，超聲波流量計(jì)以其*的計(jì)量性能在此貿(mào)易計(jì)量中發(fā)揮著重要作用。
采氣二廠處于整個(gè)長(zhǎng)慶油田產(chǎn)氣外輸?shù)拇翱谖恢?，?fù)責(zé)對(duì)本廠所產(chǎn)天然氣和轉(zhuǎn)輸?shù)奶K里格氣田所產(chǎn)天然氣進(jìn)行計(jì)量，所管轄外貿(mào)超聲波流量計(jì)有24臺(tái)，其中陜京一線3路和陜京二線5路超聲波流量計(jì)，用于計(jì)量本廠所產(chǎn)天然氣，與北京增壓站進(jìn)行貿(mào)易交接，外輸氣量達(dá)1000萬(wàn)方/天，同時(shí)蘇里格**天然氣處理廠和蘇里格第四天然氣處理廠來(lái)氣分別通過(guò)9路和7路超聲計(jì)量裝置輸往北京增壓站，外輸氣量達(dá)2900萬(wàn)方/天，總計(jì)超聲波計(jì)量外貿(mào)氣量達(dá)3900萬(wàn)方/天。
3 工作原理
氣體超聲波流量計(jì)是采用優(yōu)良數(shù)字時(shí)間差法，根據(jù)聲波在氣體中順流和逆流傳播的時(shí)間差與氣體流速成正比這一原理來(lái)測(cè)量氣體流量的。
傳感器A所發(fā)出的超聲波脈沖穿過(guò)管道，被傳感器B接受，當(dāng)管道中有氣體流過(guò)時(shí)，在氣流中傳播的超聲波脈沖的傳播速度將受到氣流的影響，使得超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時(shí)快，在同一傳播距離內(nèi)，其逆流、順流方向的傳播時(shí)間分別為：
式中：
T1——聲波脈沖從下游換能器傳至上游換能器所需要的時(shí)間；
T2——聲波脈沖從上游換能器傳至下游換能器所需要的時(shí)間；
L——上下游換能器之間的距離；
C——超聲波聲速；
由上述兩式推導(dǎo)出四通道流量計(jì)流體流速計(jì)算公式如下：
式中：V—每個(gè)聲道的氣體流速；
Wn—權(quán)重因子（取決于探頭的幾何分布情況）；
D—超聲波內(nèi)徑；
Q—流體在管道中的工況流量。
由以上計(jì)算過(guò)程可知，超聲流量計(jì)的測(cè)量精度主要取決于聲道長(zhǎng)度L和時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度以及流速的積分技術(shù)。
4 氣體超聲波流量計(jì)的計(jì)量特點(diǎn)
（1）測(cè)量獨(dú)立于聲速、溫度及氣體狀況
（2）有優(yōu)良的干擾抑制特性及故障自診斷功能
（3）具有*的雙向流測(cè)量功能
采氣二廠所用的丹尼爾上等超聲波氣體流量計(jì)主要由四部分組成：前后直管段、流量計(jì)表體（USM）、流量計(jì)算機(jī)（S600）、配套的壓力和溫度變送器。圖三為系統(tǒng)組成示意圖。按照換能器多少，超聲流量計(jì)可分為一至六聲道超聲流量計(jì)；根據(jù)超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射三種。采氣二廠超聲流量計(jì)均為Daniel公司生產(chǎn)的3400型四聲道直射式超聲流量計(jì)。
5 氣體超聲波流量計(jì)的具體應(yīng)用效果
5.1 貿(mào)易輸差分析
超聲流量計(jì)檢定后于2005.9.15日正式安裝運(yùn)行，用于陜京一、二線貿(mào)易計(jì)量。圖四為2010年12月陜京線上下游貿(mào)易雙方計(jì)量輸差，由圖4可見(jiàn)，貿(mào)易交接雙方準(zhǔn)確度可控制在0.4%以內(nèi)。自2010.01.01至2010.12.31累計(jì)向陜京供氣232958.4327×104m3，陜京接氣累計(jì)232641.0428×104m3，平均計(jì)量輸差為0.14%。
5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析
下面根據(jù)采氣二廠的實(shí)際情況，將孔板與超聲流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)，分析超聲流量計(jì)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。
5.2.1 量程比寬
孔板流量計(jì)由于量程比窄，通常只有1：3，*高僅1：10，對(duì)于相同的流量計(jì)量要求，其計(jì)量管路多，雖然直接的計(jì)量?jī)x表投資少，但是上、下游直管段長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)工藝管路復(fù)雜，相關(guān)的閥門、溫度變送器、壓力變送器、直管段、匯管等一次性投資多。
超聲波流量計(jì)單表價(jià)格高于孔板流量計(jì)，但是上、下游直管段短，工藝管路簡(jiǎn)單，量程比寬，可達(dá)1：200，整個(gè)計(jì)量回路少，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)一次性投資少。
5.2.2 壓損小
下面以采氣二廠1個(gè)下游典型用戶用氣參數(shù)進(jìn)行能耗計(jì)算：用氣量200×104m3/d，用氣壓力0.6MPa。
節(jié)流裝置壓力損失計(jì)算式：（*大刻度差壓?P=60kPa）
δp=（1?β1.9）?P
β-節(jié)流件內(nèi)徑與管道內(nèi)徑之比d/D，取β=0.5；
?P-流量差壓。
δp=（1?β1.9）?P
=（1-0.51.9）×60
=43.9234kPa
節(jié)流裝置能耗計(jì)算式：（壓縮機(jī)效率η=0.8）
計(jì)算耗能費(fèi)：能源價(jià)0.4元/kWh
耗能費(fèi)（年）=（W/1000）×（運(yùn)行時(shí)數(shù)/年）×（元/kWh）
=（1270932/1000）×365×24×0.4
=4453346（元/年）
該計(jì)算只是能耗損失，不包括壓縮機(jī)運(yùn)行等費(fèi)用。
與孔板流量計(jì)相比，超聲波流量計(jì)由于沒(méi)有阻流件，不產(chǎn)生壓力損失，因此消除了由于壓損所帶來(lái)的能耗費(fèi)用。
5.2.3 精度高
孔板流量計(jì)的計(jì)量精度理論上可達(dá)到1%，但是通過(guò)大量的實(shí)踐證明，由于孔板流量計(jì)抗*力較差，現(xiàn)場(chǎng)精度*高能達(dá)到2%，一般情況下在3%左右。
超聲波流量計(jì)的精度則可以達(dá)到0.5%甚至更高。
采氣二廠外輸氣量為3900萬(wàn)方/天，工業(yè)用氣每方的價(jià)格為0.6元，產(chǎn)生的偏差見(jiàn)下表2所示：
表2 氣量及費(fèi)用偏差
由此可見(jiàn)選擇兩種不同的流量計(jì)量?jī)x表，每天在外輸氣量的計(jì)量上產(chǎn)生的偏差相當(dāng)于一口高產(chǎn)井的產(chǎn)氣量，在費(fèi)用上產(chǎn)生的偏差更會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
5.2.4 長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用低
由于流量計(jì)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，有以下幾方面的費(fèi)用：設(shè)備維護(hù)費(fèi)，標(biāo)定費(fèi)用，更換部件費(fèi)用以及操作人員人工費(fèi)用等，超聲波流量計(jì)在這幾個(gè)方面產(chǎn)生的費(fèi)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔板流量計(jì)。
6 存在問(wèn)題分析
6.1 影響計(jì)量系統(tǒng)性能的現(xiàn)場(chǎng)因素
6.1.1 噪聲
噪聲的產(chǎn)生源主要有：①流過(guò)管道的高速氣流；②突入的探頭；⑨整流器；④壓力或流量調(diào)節(jié)閥等。
實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，噪聲（如整流器產(chǎn)生的噪聲）對(duì)氣體超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響非常大，其帶來(lái)的計(jì)量誤差可高達(dá)2%。
6.1.2 臟污堆積
含水、凝析油、硫化鐵粉末或其他臟污的天然氣流過(guò)超聲波流量計(jì)時(shí)，臟污逐漸堆積在流量計(jì)表體管道內(nèi)以及超聲波探頭上，會(huì)影響超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度。
6.1.3 溫度、壓力測(cè)量的準(zhǔn)確度
超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)一般由流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器（或溫度鉑電阻）、流量計(jì)算機(jī)及在線組分分析儀組成，通過(guò)輸入組分及壓力、溫度，流量計(jì)算機(jī)可直接將流量計(jì)的工況流量轉(zhuǎn)換為用于貿(mào)易計(jì)量交接的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積量，因此，為確保超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，必須要保證壓力和溫度測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確、可靠。
6.2 減小現(xiàn)場(chǎng)因素影響的措施
6.2.1 降低噪聲的影響
（1）為盡量降低噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度和可靠性的影響，在計(jì)量管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)管路系統(tǒng)中的各阻流件所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行綜合評(píng)估，較為特殊的管路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)可向流量計(jì)生產(chǎn)廠家咨詢。
（2）在超聲波流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥（如調(diào)壓閥）串聯(lián)安裝時(shí)，應(yīng)咨詢生產(chǎn)廠家，對(duì)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行評(píng)估，并了解流量計(jì)對(duì)噪聲的敏感程度。
6.2.2 減少內(nèi)壁臟污堆積
（1）加強(qiáng)對(duì)天然氣氣質(zhì)的監(jiān)測(cè)，確定合理的直管段和流量計(jì)的清洗周期。
（2）目前，各超聲波流量計(jì)生產(chǎn)廠家均開(kāi)發(fā)有對(duì)超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的專用軟件。在實(shí)際使用中可充分利用這些軟件，了解超聲波流量計(jì)的工作情況，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)判斷流量計(jì)是否工作正常以及可能出現(xiàn)的問(wèn)題等。
6.2.3 保證壓力、溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性
（1）選擇合適的測(cè)量范圍，避免儀表的實(shí)際工作范圍處于量程的10%以下，從而造成測(cè)量誤差處在儀表的擴(kuò)展誤差限內(nèi)。
（2）計(jì)量系統(tǒng)投運(yùn)前，應(yīng)對(duì)壓力和溫度測(cè)量值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查。
（3）對(duì)于室外工作的變送器宜設(shè)置遮陽(yáng)棚，以免環(huán)境溫度接近其設(shè)計(jì)工作溫度的上限，造成較大的測(cè)量誤差。
氣體超聲流量計(jì)測(cè)量范圍寬、便于安裝、沒(méi)有如節(jié)流裝置幾何尺寸變化影響儀表特性的問(wèn)題，因此，獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是，對(duì)于一種新型的流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)的使用過(guò)程中，環(huán)境因素對(duì)其性能的影響，需要我們技術(shù)人員認(rèn)真學(xué)習(xí)超聲流量計(jì)相關(guān)知識(shí)，掌握流量計(jì)的計(jì)量特性，并做好日常的維護(hù)保養(yǎng)工作，探索出一套適合超聲流量計(jì)的*佳工作制度，用好流量計(jì)，減少計(jì)量誤差，確保外貿(mào)計(jì)量準(zhǔn)確可靠，服務(wù)于我們的天然氣計(jì)量。
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