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超聲波流量計在天然氣計量上的探索與應(yīng)用

計量差管理是燃?xì)馄髽I(yè)一項(xiàng)重要工作。本文首先介紹了超聲波流量計的計量原理、測量范圍以及安裝要求等，并與渦輪流量計作對比。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我公司對公共衛(wèi)生臨床中心的試點(diǎn)實(shí)例，探索了使用超聲波流量計開展燃?xì)庥嬃康男Ч⒌贸鱿鄳?yīng)結(jié)論。

1實(shí)施背景

天然氣計量是其使用過程中的一個重要環(huán)節(jié),流量計量是天然氣供需雙方貿(mào)易結(jié)算時的一個非常重要的依據(jù),同時也是天然氣生產(chǎn)方的一個關(guān)鍵的技術(shù)和產(chǎn)能指標(biāo)。流量計量在企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理的過程中,是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)性工作。準(zhǔn)確的天然氣計量結(jié)果,能夠保證貿(mào)易結(jié)算的公平性,并且在一定程度上能夠改進(jìn)天然氣生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本,確保天然氣的安全生產(chǎn),提高社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而天然氣行業(yè)中卻一直存在著計量差現(xiàn)象,計量差問題已經(jīng)成為制約行業(yè)發(fā)展的重要因素。我公司近幾年來逐步加大計量增效力度,例如實(shí)施門站一級和二級計量管理、戶內(nèi)無線遠(yuǎn)程計量、大用戶流量計實(shí)施SCADA管理等。通過采取上述的計量改進(jìn)措施,為公司創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益,改善了公司的經(jīng)營業(yè)績。但是從管理實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),僅采取上述的措施還遠(yuǎn)不夠。為深化改進(jìn)燃?xì)庥嬃坎罟芾砉ぷ?/span>,我們在各管網(wǎng)進(jìn)行等級計量的前提下,采用超聲波計量表對各區(qū)域開展計量試驗(yàn),縮小計量數(shù)據(jù)誤差,從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)庥嬃康慕挡?、增效目?biāo)。

2.不同流量計的對比

目前天然氣管網(wǎng)上使用的大流量計以渦輪流量計為主,為了測試超聲波流量計與渦輪流量計各自的性能,我們從測量原理、測量范圍等方面進(jìn)行了對比分析。

2.1 計量原理

渦輪流量計是一種速度式流量儀表，測量本體是渦輪流量傳感器，主要由葉輪和磁感應(yīng)線圈組成，葉輪軸心與管道中心相同，可以自由轉(zhuǎn)動，其葉片與氣體流動方向成一定角度。在流體沖擊下，渦輪沿管道軸向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速率隨流量變化而不同，流速越高，動能越大，渦輪的轉(zhuǎn)速也越高。渦輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率電脈沖，通過顯示儀表進(jìn)行積算和顯示，如圖1所示。

超聲波流量計采用時差法進(jìn)行流量測量，工作原理如圖2所示。利用兩個相向的傳感器，收發(fā)超聲波，每一個傳感器都具有信號發(fā)射以及信號接受功能，超聲波脈沖能量在管壁、流體中，以一定的角度在兩個傳感器之間相互傳播；流體流速會在一定程度上影響到超聲波脈沖在兩個傳感器之間的傳播，從上游傳感器向下游傳感器，聲速度和流體速度混合而變快，從下游傳感器到上游傳感器，聲速度中抵消了流體速度而變慢，造成上游和下游傳播時間的凈時間差和流速成正比例。由于時差法測量系統(tǒng)不存在內(nèi)在慣性，所以時差法流量計有很強(qiáng)的靈敏性，同樣適用于低流速和低流量。

2.2測量范圍

渦輪流量計的測量范圍是20m3/h~400m3/h。

超聲波流量計的測量范圍為2m3/h~300m3/h（始動流量0.7m3/h）。

2.3安裝要求及維護(hù)

渦輪流量計對管輸天然氣的流態(tài)非常敏感，而流量計入口前端的阻流設(shè)備（分離除塵、管道彎頭、旋風(fēng)分離器和過濾器等）可能使流態(tài)改變而影響轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。為此，一般在渦輪流量計入口和出口端各加接一直管段，其入口端長度不小于10倍管段內(nèi)徑，出口端長度不小于5倍管段內(nèi)徑。若安裝空間不能滿足上述要求時，可在阻流設(shè)備與渦輪流量計之間安裝整流器。另外，變送器電源線需采用金屬屏蔽線，且接地良好可靠。渦輪流量計的測量元件是轉(zhuǎn)動的葉輪，并使用了軸承，在使用過程中還應(yīng)勤于加油，定期維護(hù)。

超聲波流量計的安裝要求如下：

（1）超聲波流量計傳感單元安裝時需在管道停運(yùn)狀態(tài)完成，一般設(shè)計為兩路支線分別切換進(jìn)行安裝;（2）測量儀表的傳感單元尺寸必須與管輸內(nèi)外徑相一，其誤差應(yīng)控制在±1%以內(nèi)，以免安裝產(chǎn)生偏差；

（3）為了能夠有效避免換能器聲波表面受顆?；蚩諝飧蓴_，超聲波流量計傳感單元***好選在與水平方向450的范圍內(nèi)安裝，盡量避免干擾。此外，在天然氣含液較多的場合，氣體超聲波流量計及其計量管段的安裝位置不應(yīng)低于其上下游管道，使得天然氣中凝析出來的液體能夠隨氣流被帶走，不在氣體超聲波流量計處堆積，造成計量故障；

（4）上下游應(yīng)保證有必要的直管段，上游直管段***少10D，下游直管段至少為5D；

（5）超聲波流量計安裝需要前后避開阻力構(gòu)件如（彎頭、閥門、變徑處），如在垂直管道安裝，其換能器的安裝位需在上游彎管的彎軸平面內(nèi)，以獲得彎管流場畸變后較接近的平均值；

（6）換能器安裝處和管道壁反射處必須避開接口和焊縫；

（7）換能器安裝處的管道襯里和垢層不能太厚，襯里和管壁間不能有間隙，同時內(nèi)壁做好清銹工作；

（8）換能器工作面與管輸器壁間應(yīng)選用合適的耦合劑，保證連接面無雜質(zhì)顆?；蚩諝獯嬖?，避免超聲波傳輸過程中引入不同傳播媒介而產(chǎn)生的誤差。

在維護(hù)方面，由于超聲波流量計結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，日常維護(hù)量幾乎為零，從而提高了產(chǎn)品耐用性，降低了人工成本。

表1為超聲波流量計和渦輪流量計性能綜合對比表）。同時在該超聲波流量計后串聯(lián)一臺渦輪流量計，進(jìn)行超聲波流量計和渦輪表計量對比分析。該試驗(yàn)點(diǎn)如圖3 所示：

3.應(yīng)用實(shí)例

為探索超聲波流量計在實(shí)際應(yīng)用過程中的可靠性和*性，公司于2013年3月對公共衛(wèi)生中心調(diào)壓器（PRS-300-1SB-2/3）實(shí)施區(qū)域計量改造。公共衛(wèi)生臨床中心的天然氣使用地點(diǎn)較為分散，從總表房延伸出的各分支管道，在每個用氣點(diǎn)都有分表計量。例如食堂、煎藥房、手術(shù)室等均采用G2.5的皮膜表計量，另有焚燒爐間采用G40腰輪表計量。

本次試點(diǎn)過程中，用1臺超聲波流量計取代現(xiàn)有管道上的14臺計量分表（12臺膜式燃?xì)獗怼?/span>2臺腰輪在調(diào)壓器出口配置1臺精度等級為1.0級的智能一體型超聲波流量計，作為區(qū)域計量總表。

為了取得***佳的測試效果，本項(xiàng)目采取了整體設(shè)計組裝施工，盡量降低由于安裝不當(dāng)而產(chǎn)生的相對誤差。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)壓設(shè)備的使用情況，在進(jìn)氣口閥門后加裝了整流器，超聲波流量計前直管段>3D，后直管段>2D，超過安裝整流器必須的直管段距離，確保天然氣流場充分、流速平均。

4.實(shí)施成效

4.1計量管理成效

分析2013年5月10日的數(shù)據(jù)記錄可知：當(dāng)壓力值在102.2kPa~103.1kPa之間，溫度值在16℃~21.3℃之間。超聲波的瞬時流量顯示值和渦輪表修正儀的瞬時流量顯示值相差在1.2%左右，對比各自的累計流量數(shù)據(jù)，卻發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)累計差值較大。見表2。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中觀察到，當(dāng)瞬時流量達(dá)到20m3/h以上時，兩個流量計的顯示值相差并不大。但在整點(diǎn)分段進(jìn)行累計流量對比時，它們之間的輸差平均在5%左右。此測試是作為區(qū)域總表方式與渦輪流量計進(jìn)行的對比測試，后面有多個用氣點(diǎn)，用氣波動大，出現(xiàn)累計流量誤差大的原因，主要是天然氣流量較小時渦輪流量計無法計量。表2的數(shù)據(jù)記錄反映：17:00~17:30這個時間段醫(yī)院的用氣量***小，超聲波流量計顯示用氣量為0.8m3，而渦輪流量計沒有任何計量，顯然屬于漏計狀態(tài)。

4.2直接經(jīng)濟(jì)成效

探索超聲波流量計在燃?xì)庥嬃可辖挡睢⒃鲂У男峦緩?，此舉措不僅在計量表的選型及日常維護(hù)上有優(yōu)勢，而且此次試點(diǎn)結(jié)果表明已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，計量情況如表3和圖4所示。

表3反映出超聲波流量計在燃?xì)庥嬃可?，產(chǎn)生以下兩個顯著的效益。

（1）超聲波計量數(shù)據(jù)作為貿(mào)易結(jié)算直接增加的效益情況：

截止2014年10月采用超聲波流量計作為公共衛(wèi)生中心區(qū)域計量，直接減少差量1.61萬m3，平均減少差量805m3/月，直接收益金額累計為6.22萬元，平均增加3千元/月。

（2）超聲波流量計與渦輪表流量計在計量上增加的效益情況：

從表3同時可以看出超聲波流量計與渦輪表數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢，截止2014年10月，超聲波流量計比渦輪表減少差量1.07萬m3，增加收益金額為4.13萬元。

5.結(jié)論

通過探索使用超聲波流量計開展燃?xì)庥嬃?，尋求燃?xì)庥嬃抗芾斫挡詈驮鲂峦緩剑瑢?shí)踐表明：

（1）在滿足前后直管段條件下，單聲道超聲波流量計的性能得以體現(xiàn)，尤其在小流量計量方面比渦輪流量計有明顯優(yōu)勢。并且隨著時間的推移，渦輪、腰輪流量計的計量精度一定會隨之下降，而超聲波流量計在精度穩(wěn)定性方面可以保持長期不變。超聲波流量計有助于提高天然氣計量水平，且在燃?xì)庥嬃可峡僧a(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）超聲波流量計流量范圍廣，無論是新裝用戶或是舊表改造，都可以靈活的用小口徑超聲波流量計來替代大口徑皮膜表和渦輪流量計，比如DN50超聲波流量計就可以達(dá)到DN80渦輪流量計的量程范圍。相對在管道選配，閥門及其他零配件的選擇上可以降低成本，同時因其結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，在后期使用中能做到基本免維護(hù)，省心省力。

（3）超聲波流量計因其有超大量程比，如果用作居民小區(qū)總表配合目前成熟的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整個城區(qū)輸差的實(shí)時動態(tài)顯示。如果用作商業(yè)圈區(qū)域計量，可以進(jìn)一步提高區(qū)域燃?xì)庥嬃坎?，?shí)時了解整個城市的輸差、以及用氣高峰等數(shù)據(jù)，這為燃?xì)夤竟芫W(wǎng)運(yùn)營調(diào)度管理、計量輸差查找、管道泄漏安全等方面，提供實(shí)時的數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)一步解決現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)的城市管網(wǎng)實(shí)時動態(tài)輸差管理、管道破裂預(yù)知、調(diào)峰用氣等難題。