簡析超聲波流量計測量天然氣的設計與應用

呼圖壁儲氣庫作為全國已建非常大的儲氣庫，在天然氣外輸計量中，計量安全性、穩定性及精確度顯得尤為重要。目前，選用氣體超聲波流量計檢測外輸天然氣流量，實現貿易交接計量，計量精度高、可靠性強、得到界內一致認可。

0 引言

呼圖壁儲氣庫采氣系統完善工程設計氣體超聲波流量計一套，包括現場超聲波流量計、溫度補償儀表、壓力補償儀表、前后直管段、流動整流器及流量計算機，具有雙向計量功能，實現呼圖壁儲氣庫與西部管道公司之間的貿易交接計量。

1 測量原理

氣體超聲波流量計由多對探頭傳感器、信號測量系統、電子顯示單元等測量元件組成，配套使用流量計算機。通過對超聲脈沖傳輸時間的測量，實現氣體的流速測量，進而計算出天然氣工況條件下的流量，也就是根據順氣流方向的脈沖比逆氣流方向的脈沖速度快的原理，計算出關系中的氣體流速，如圖1所示。每個探頭同時進行收發脈沖，每對探頭通過連續進行脈沖收發方向切換完成測量，如：一個方向的傳輸時間測量完成后，原來的脈沖發射器就變成接收器，反之亦然。此外，聲速的測量還取決于氣體的組分類型、壓力和溫度等可以量化的因素，為了充分考慮到流態變化的影響，采用多聲道分布在幾個完全平行的平面上，每個測量平面由兩個相互交叉的聲道組成，聲道結構依據高斯-切比雪夫原理科學排列，保證氣體流速測量和不對稱流、渦流、切向流檢測與補償均達到非常優化。

2 遵循的規范及標準

《天然氣計量系統技術要求》（GB/T 18603-2014）。

《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》（GB/T 18604-2014）。

《Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters》（A.G.A No.9）。

《Speed of Sound in Natural and Other Related HydrocarbonGas》（A.G.A No.10）。

3 選型設計與應用

3.1 超聲波流量計

◆ 超聲波流量計的量程比寬，可達到1：100的量程比，適用于流量變化幅度大的計量站場。

◆ 設計規范要求超聲波流量計所測管道內天然氣介質的流速不應超過20m/s。目前，國際知名制造商（例如：MG、Daniel、德國西克）所生產的超聲波流量計的檢測范圍是0.3 m/s ~30 m/s。

◆ 非貿易交接計量，一般選用單聲道或雙聲道超聲波流量計即可；貿易交接計量中，至少選用4聲道超聲波流量計，其中聲道數量為探頭的對數。

◆ 超聲波流量計需要定期進行實流標定，目前，國內各大標定站所能標定的超聲波流量計的非常大口徑為DN400。

◆ 超聲波流量計的安裝應盡可能避開振動環境，減少振動、噪音干擾。

◆ 依據流量計安裝使用場所，合理確定超聲波流量計的防爆等級及防護等級。

◆ 標準參比條件：20℃，101.325KPa。

3.2 溫度補償儀表

◆ 超聲波流量計補償用溫度檢測儀表的精度應該優于±0.3℃。

◆ 如果流量計只是進行單向流測量，那么應將測溫孔和取樣孔設在流量計下游距法蘭端面2D~5D之間；如果流量計是用于雙向流測量，那么測溫孔和取樣孔應設在距流量計法蘭端面3D~5D之間 [3] 。

◆ 溫度計和取樣器插入深度宜為1/3D，對于大口徑流量計（DN300及以上），插入深度應不超過125mm。

◆ 依據流量計安裝使用場所，合理確定溫度補償儀表的防爆等級及防護等級。

3.3 壓力補償儀表

◆ 超聲波流量計補償用壓力檢測儀表的精度，A級計量系統不低于0.2%，B級計量系統不低于0.5%，C級計量系統不低于1.0%。

◆ 超聲波流量計表體應至少有一個取壓孔用以測量靜壓，每個取壓孔應具有裝隔離閥的內螺紋，并且具有能將隔離閥直接安裝在取壓孔上的回轉空間，內螺紋的規格宜為1/4″NPTF或1/2″NPTF。

◆ 壓力補償儀表一般選擇安裝于超聲波流量計本體，也可以根據業主要求，安裝于超聲波流量計的前后直管段。

◆ 依據流量計安裝使用場所，合理確定壓力補償儀表的防爆等級及防護等級。

3.4 直管段

◆ 流量計單向計量，不帶整流器的情況下，流量計上游至少需要50D的直管段；流量計下游直管段長度至少應為5D。

◆ 流量計單向計量，帶有流動整流器的情況下，流量計上游至少需要30D的直管段，且流動整流器宜安裝在流量計上游10D處。流量計下游直管段長度至少應為5D。

◆ 流量計雙向計量，帶有流動整流器的情況下，流量計上游至少需要30D的直管段，流量計下游至少需要30D的直管段，且流動整流器分別安裝在流量計上游/下游10D處為宜。

◆ 直管段與流動整流器、超聲波流量計、上下游管線之間均采用法蘭安裝。

3.5 流動整流器

◆ 整流板的孔板厚度應在0.125D～0.25D之間。

◆ 孔板式流動調整器應選用不銹鋼板材料制造。

◆ 根據超聲波流量計制造商要求，合理選用19束、25束或其他型式的流動整流器。

3.6 流量計算機

◆ 超聲波流量計一般配套使用流量計算機，用于流量計控制和工作的計算機代碼應當存儲在非易失性存儲器中，所有流量計算常數和人工輸入的參數也應當存儲在非易失性存儲器中。

◆ 流量計算機應采用LCD顯示方式，其面板應帶操作按鍵，可任意選擇顯示內容。一般依據數據存儲時間，合理計算出流量計算機的顯示精度，例如能達到小數點前10位及小數點后4位。

◆ 流量計算機采用柜式安裝方式，放置于儀表控制室內。

4 總結

呼圖壁儲氣庫依據天然氣出氣能力，成功選用超聲波流量計作為貿易交接計量儀表，投運至今，平穩運行，無故障發生，得到使用方一致好評，在新疆地區得到廣泛應用，為天然氣外輸計量領域做出巨大貢獻。