摘  要： 基于超聲流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀、性能特點(diǎn)、計(jì)量原理、結(jié)構(gòu)組成，及中烏輸氣管道的生產(chǎn)和商業(yè)計(jì)量需求，從系統(tǒng)組成、設(shè)備安裝、信號傳輸?shù)确矫娼榻B了中烏輸氣管道超聲計(jì)量系統(tǒng)。系統(tǒng)由4聲道超聲流量計(jì)（USM）、流量計(jì)算機(jī)（FC）、壓力變送器（PT）、溫度變送器（TT）和氣相色譜儀（GC）等設(shè)備組成，超聲流量計(jì)成橇安裝，USM、PT、TT和GC的數(shù)據(jù)信號分別傳到FC，F(xiàn)C負(fù)責(zé)根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀況下計(jì)量交接的體積流量。對系統(tǒng)使用中的幾個技術(shù)問題進(jìn)行了分析和探討，包括標(biāo)況流量范圍、噪聲干擾、管道和氣流的清潔、小流量擾動、振動、聲道報(bào)警、備用斷電、環(huán)境溫度等，提出了方法和建議，對超聲流量計(jì)的操作和維護(hù)有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵字： 超聲流量計(jì) 中烏管道 計(jì)量系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 原理 安裝 信號傳輸 時(shí)間差法

利用超聲波的原理測量流量始于1928年，于20世紀(jì)70年代進(jìn)入實(shí)用階段，但僅限于測量液體流量，測量氣體流量則始于90年代。與孔板、渦輪、渦街等傳統(tǒng)流量計(jì)相比，超聲流量計(jì)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢（表1），在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，目前已從單聲道流量計(jì)發(fā)展到4聲道、5聲道和6聲道流量計(jì)，國內(nèi)西氣東輸、川氣東送等重大管道工程都使用了Daniel4聲道超聲流量計(jì)。比較有代表性的制造商有Daniel（被Emerson收購）、Instromet（被Elster收購）、RMG、FMC、Controlotron等公司。

1 超聲流量計(jì)的性能特點(diǎn)

超聲流量計(jì)適用于各種管徑管道流量的高準(zhǔn)確度計(jì)量（表1），而且管道流量和管徑越大，準(zhǔn)確度越高。超聲流量計(jì)的性能優(yōu)勢表現(xiàn)在諸多方面：可長期穩(wěn)定運(yùn)行，大大降低了維護(hù)費(fèi)用；測量范圍（量程比）很寬，一般為1∶40～1∶160，最大可達(dá)1∶300；重復(fù)性高，有的可實(shí)現(xiàn)雙向流量計(jì)量；所需上下游直管段較短；無可動部件，使用安全、可靠；超聲換能器輕巧，所占空間小，安裝維護(hù)方便；流量計(jì)本體無壓損，可降低長輸管道的增壓費(fèi)用；不受渦流與橫截面流速分布變化的影響；可精確測量脈動流；不受沉淀物、濕氣的影響；具有自檢、自診斷功能；管內(nèi)無阻流件，可允許清洗球自由通過管道和流量計(jì)，便于清洗；無磨損，示值無零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，偏移誤差小；動態(tài)測量范圍寬；不受壓力、溫度、氣體組分變化的影響；增加聲速核查功能后不再需要頻繁檢定。

表1 不同類型流量計(jì)的性能特點(diǎn)

2 中烏天然氣管道超聲計(jì)量系統(tǒng)

2.1 計(jì)量站設(shè)置

中烏天然氣管道總長約529km，南起土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦邊境的格達(dá)伊姆，北至烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦邊境。為了計(jì)量土庫曼斯坦的來氣量和哈薩克斯坦境內(nèi)的進(jìn)氣量，分別在管道起點(diǎn)和終點(diǎn)建立了WKC1和MS兩個計(jì)量站。一期工程均使用Emerson提供的計(jì)量設(shè)備，全線共設(shè)計(jì)安裝DN400超聲波流量計(jì)16臺，8臺用于WKC1站的生產(chǎn)計(jì)量，8臺用于MS站的商業(yè)計(jì)量。其中，WKC1站的8臺流量計(jì)分為2組，分別計(jì)量A、B線來氣，每組4臺，設(shè)計(jì)為3用1備，每路計(jì)量管道出口均設(shè)流量調(diào)節(jié)閥，用以控制管道出口壓力；MS站計(jì)量區(qū)的8臺流量計(jì)沒有分組，設(shè)計(jì)為6用2備，每路計(jì)量管道出口均未設(shè)工作調(diào)節(jié)閥，不能控制管道出口壓力，計(jì)量系統(tǒng)配置與WKC1站相同。

2.2 計(jì)量系統(tǒng)組成與設(shè)備參數(shù)

超聲計(jì)量系統(tǒng)由超聲流量計(jì)（USM）、流量計(jì)算機(jī)（FC）、壓力變送器（PT）、溫度變送器（TT）和氣相色譜分析儀（GC）等設(shè)備組成。

FC通過對USM測得的流量進(jìn)行體積修正，得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量公式：

式中：Vn為FC根據(jù)氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的天然氣體積流量，m3/h；Vf為USM測得的工作狀況下的天然氣體積流量，m3/h；pf為PT測得的流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)壓力，MPa；pn為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.101325MPa；Tf為TT測得的流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)熱力學(xué)溫度，K；Tn取293.15K；Zf為工作狀況下流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)壓縮因子，由FC根據(jù)GC分析得到的組分值按照計(jì)算求得，無量綱；Zn為換算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)壓縮因子，由FC根據(jù)GC分析得到的組分值按照計(jì)算求得，無量綱。

中烏天然氣管道的兩套計(jì)量系統(tǒng)均由8臺USM、FC、PT、TT和1臺GC組成。其中16臺超聲流量計(jì)經(jīng)中國國家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站校準(zhǔn)，其他設(shè)備經(jīng)烏茲別克斯坦計(jì)量服務(wù)中心檢定合格（表2）。

表2 中烏天然氣管道超聲計(jì)量系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

2.3 系統(tǒng)安裝

超聲流量計(jì)采用成橇安裝（圖1）方式。根據(jù)要求，在超聲流量計(jì)上游10D（管道內(nèi)徑）處安裝Emerson提供的盤式整流器，用于調(diào)整上游氣體的流態(tài)；在流量計(jì)表體安裝壓力變送器；在流量計(jì)下游（3～5）D處安裝溫度變送器。氣相色譜儀安裝在進(jìn)站管道旁專用的分析室中，便于從管道中采集氣樣；氣相色譜分析儀配套的2350型控制器安裝在站控室的計(jì)量機(jī)柜上，流量計(jì)算機(jī)安裝在站控室的計(jì)量機(jī)柜中，與超聲流量計(jì)一一對應(yīng)。

2.4 信號傳輸

USM測得的工況體積流量為脈沖信號，通過現(xiàn)場與站控室之間的RS485數(shù)據(jù)線傳到FC；PT、TT測得的壓力、溫度為（4～20）mA信號，通過模擬量數(shù)據(jù)線傳到FC；GC分析得到的天然氣組分值為（4～20）mA信號，首先傳到2350控制器，由2350控制器轉(zhuǎn)換成RS485信號分別傳到各FC。最后，F(xiàn)C根據(jù)工況下的各參數(shù)計(jì)算計(jì)量交接標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量。

圖1 超聲流量計(jì)安裝示意圖

3 中烏天然氣管道超聲流量計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

超聲流量計(jì)由流量計(jì)表體、超聲傳感器（又稱超聲換能器或超聲探頭）及其安裝部件、信號處理單元（SPU）和流量計(jì)算機(jī)組成（圖2）。

圖2 超聲流量計(jì)結(jié)構(gòu)組成示意圖

SPU接收超聲傳感器信號，具有處理、顯示、輸出和記錄測量結(jié)果的功能，它由電源、微處理器（MarkIII板）、信號處理組件和超聲換能器激振電路等組成，現(xiàn)場的電信號處理和轉(zhuǎn)換部件安裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。

Daniel3400超聲流量計(jì)的換能器結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢的影響，壽命較長；頻率高，功耗低，低電壓工作，高效安全；可以在線更換，更換電纜不影響工作和精度。

流量計(jì)算機(jī)是用于流量計(jì)控制、顯示和存儲的專用計(jì)算機(jī)。FC具有對SPU進(jìn)行就地和遙控組態(tài)、監(jiān)控流量計(jì)運(yùn)行的功能，其上位機(jī)（工控機(jī)）用于顯示累積流量、平均流速、平均聲速、歷史曲線，以及檢測和控制支路閥門、超壓報(bào)警或完成站場其他管理和控制的任務(wù)。

流量計(jì)表體是兩端帶管法蘭的直管段，它和測量直管段是承壓部件，要求有一定的抗腐蝕能力，內(nèi)徑與計(jì)量對象管道一致。Daniel3400超聲流量計(jì)的表體采用整體鑄造，以減少焊縫接口，削弱表體熱脹冷縮對計(jì)量的影響。

3.2 計(jì)量原理

中烏天然氣管道使用4聲道超聲流量計(jì)，測量原理為時(shí)間差法，以其中1個聲道為例闡述其計(jì)量原理。

流量計(jì)本體中安裝兩個能發(fā)送和接收超聲脈沖的傳感器，其安裝方式使得1個傳感器發(fā)出的超聲脈沖能夠被另1個傳感器接收，從而形成聲道。兩個傳感器輪流發(fā)射和接收脈沖，超聲脈沖相對于氣體以聲速傳播。沿聲道順流傳播的超聲脈沖的速度因被測氣體流速在聲道上的投影（方向相同）而有所增加，而沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的速度因被測氣體流速在聲道上的投影（方向相反）而有所減少，因此得到了超聲脈沖在順流和逆流方向上的傳播時(shí)間差。高頻聲脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與氣體流速成正比，超聲流量計(jì)正是基于這一原理來測量氣體流量的，屬于速度式流量計(jì)（圖3）。

圖3 超波流量計(jì)原理示意圖

在聲程內(nèi)，超聲波沿順流方向和沿逆流方向的傳播時(shí)間分別為：

沿聲程測得的被測氣體的平均流速為：

這是沿聲道長度上的平均線性加權(quán)氣體流速，需對氣體流速進(jìn)行修正，并基于此得出氣體流量的計(jì)算公式：

式中：qf為工況體積流量，m3/s；A為管道截面積，m2；ts為超聲波順流傳播的時(shí)間，s；tn為超聲波逆流傳播的時(shí)間，s；L為聲程，即超聲波在聲道中傳播的距離，m；D為管道內(nèi)徑，m；θ為管軸線與傳感器聲道之間的夾角；K為速度分布剖面的修正系數(shù)。

4 使用中的幾個技術(shù)問題

4.1 標(biāo)況流量范圍

標(biāo)況流量是管道運(yùn)行中的重要指標(biāo)之一，但是否投用超聲流量計(jì)取決于工況流量而非標(biāo)況流量。高壓大流量超聲流量計(jì)，通常在大流量區(qū)間的計(jì)量準(zhǔn)確度較高。在工況流量范圍內(nèi)存在臨界流量，一般為最大流量的10%，當(dāng)超聲流量計(jì)工作在臨界流量以下時(shí)，其計(jì)量準(zhǔn)確度降低[8]。因此，在不超過最大工況流量的條件下，不必增加計(jì)量支路。

4.2 噪聲干擾

超聲流量計(jì)可能受到附近超聲波噪聲源的不利影響。噪聲源包括可發(fā)出噪聲的閥門、流量調(diào)節(jié)閥和管道中的其他節(jié)流部件。WKC1站流量計(jì)下游裝有流量調(diào)節(jié)閥，因此在流量調(diào)節(jié)閥上游設(shè)計(jì)T字型彎頭以減弱噪音影響。可通過診斷軟件（CUI）檢查信噪比和各聲道的聲速是否在正常范圍內(nèi)，判定噪聲是否對超聲流量計(jì)構(gòu)成影響。

4.3 管道和氣流的清潔

超聲換能器表面的堆積物（壓縮機(jī)油、冷凝液、水合物、冰等）可能導(dǎo)致裝置不經(jīng)過流體傳送超聲波脈沖，引起所謂的超聲波路徑“脫落”，造成較大的計(jì)量誤差。氣流的清潔度對流量計(jì)的性能至關(guān)重要，在測量氣體流量時(shí)，氣流中分散的液體可能會減弱超聲波信號，并使流量計(jì)完全喪失工作能力。顆粒、鐵銹、水分均不會影響流量計(jì)的正常運(yùn)行，但一般要求液體含量不超過5%，否則管內(nèi)氣流將表現(xiàn)出兩相流的特征。當(dāng)污物沉積在管壁上，超聲波從“發(fā)射”到“接收”的聲程將變短，直接影響計(jì)量準(zhǔn)確性。因此必須每日檢驗(yàn)測量聲速與計(jì)算聲速的差，一旦超過0.2%，則采用大流量吹掃或拆卸探頭檢查清理。

4.4 小流量擾動

小流量擾動即超聲流量計(jì)未投用而在配套流量計(jì)算機(jī)上顯示的微小流量累計(jì)。誘發(fā)小流量擾動的因素有：下游閥門有微小內(nèi)漏；上游閥門未關(guān)閉，未投用支路壓力隨上游匯管壓力變化，壓力變化引起該支路氣體壓縮或膨脹；外界溫度變化幅度大，較大的溫差引起未投用支路內(nèi)的靜止氣體壓縮或膨脹。

超聲流量計(jì)的小流量擾動現(xiàn)象普遍存在，可在流量計(jì)算機(jī)中設(shè)置對應(yīng)的小流量切除值消除之，通常將在零流量下測得的某個相對穩(wěn)定的低數(shù)值氣體流速，作為小流量切除設(shè)定值。若在零流量下仍能測出較大的氣體流速，則可能是探頭堵塞嚴(yán)重，需清洗探頭。若不能立刻檢查探頭，可將小流量切除設(shè)定值調(diào)大；但在流程切換前必須檢查即將投用流程的小流量切除設(shè)定值是否調(diào)回正常值。

4.5 振動

超聲流量計(jì)作為精密測量儀表，若長期在靠近振動源或振動環(huán)境中使用，其性能和壽命會受到嚴(yán)重影響，必須使超聲流量計(jì)遠(yuǎn)離震動或?qū)⒄駝酉＠纾暳髁坑?jì)投用前需要加壓，此時(shí)緩慢開旁通支路進(jìn)行平壓，待上下游壓力平衡后再打開進(jìn)口截止閥。

4.6 聲道報(bào)警

發(fā)出聲道報(bào)警的原因有：探頭臟污或損壞；探頭與采集板之間信號傳輸不暢；采集板損壞。天然氣管道投產(chǎn)初期，管道內(nèi)水分和雜質(zhì)較多，氣溫低時(shí)探頭極易臟污，此時(shí)應(yīng)視報(bào)警嚴(yán)重程度及時(shí)清理超聲探頭或更換采集板。

4.7 備用斷電

超聲流量計(jì)長期不用時(shí)應(yīng)斷電，短期不用而管道內(nèi)壓力低于其工作壓力時(shí)，也應(yīng)斷電，以延長其使用壽命。

4.8 環(huán)境溫度

對超聲流量計(jì)提出了－25～55℃的使用環(huán)境溫度要求。另外，在某些特殊情況下（被測介質(zhì)與外界環(huán)境之間的溫差較大且測試流量較低），為預(yù)防外界環(huán)境溫度對測量結(jié)果造成附加影響，建議對儀表及其上下游管段加裝遮雨防曬設(shè)施或采取必要的保溫措施。

綜上所述，超聲流量計(jì)工作原理簡單，安裝后無需現(xiàn)場操作，運(yùn)行穩(wěn)定，基本不需要維護(hù)。但這并不表示超聲流量計(jì)一旦投用即可以不聞不問，尤其在管道投產(chǎn)初期，計(jì)量專業(yè)人員需要掌握超聲流量計(jì)的測量原理和組成結(jié)構(gòu)，密切關(guān)注其運(yùn)行狀態(tài)，以發(fā)生故障的原因做出正確判斷，及時(shí)恰當(dāng)?shù)亟鉀Q問題，保證其正確使用和準(zhǔn)確計(jì)量