摘要：目前中国正处于能源大发展时期，天然气需求逐年增加，加快建设清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系是国家实施能源战略，打赢能源攻坚战的必由之路。随着国内天然气市场的快速发展，天然气交易额稳步提升，对天然气贸易交接精度要求越来越高，因此如何保证计量精度，实现准确计量成为天然气贸易交接中的关键因素。

关键词：超声波流量计;天然气计量;计量精度;控制措施

引言

随着工业化水平的不断提高，化工、冶金、气体燃料输送等行业对气体流量计的需求变得越来越大，气体超声波流量计具有无压损、量程比大、精度高等优点（汪伟等，2015），特别适合测量不易接触和观察的流体以及大口径流量测量领域。超声波在流动的气体中传播会有气体流速信息，因此可以通过超声波的回波信号计算出气体的流速，从而换算成气体在计量时间内通过的流量。由于被测量管道往往存在弯管等情况，造成气体在管道内分布不均匀，在使用单通道超声波流量计测量时测量误差较大，需采用流速分布修正系数进行精度校正，而采用多通道超声波流量计测量可以采集多个管道部位流量信息，能够有效提高测量精度，因此多通道时差法在超声波气体流量计设计中应用广泛。

1超声波流量计的原理

超声波在流体中传播会载上流体的流速信息，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速信息，进而可换算成流量。根据对信号的检测原理，超声波流量计可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、空间滤波法、噪声法等类型。传播速度差法是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时的速度差来反映流体流速，从而测出流量。多普勒法是应用超声波的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体流速，从而测出流量。传播速度差法又包括时差法、相位差法、直接时差法等。一般而言，被测流体中不含大浓度的悬浮颗粒时，采用时差法;当被测流体中悬浮颗粒比较多时，采用多普勒法。

2超声波流量计计量影响因素

2.1探头故障

超声波流量计探头工作状态可通过流量计配套软件进行检查，不同型号的流量计对应不同的数据标准，如信号质量、信噪比、增益等。当正常运行状态下的数据值超过标准值时，需及时对流量计进行检查，避免产生计量误差。天津管道某计量站使用Daniel四声道超声波流量计，某日正常输气期间外输故障报警，信号传输中断。超声波流量计的增益表示可以正常接收信号时的强度。当增益超过正常值时，可能因为探头故障、探头表面脏污或者干扰信号过强等，影响有效信号的接收。根据上述检测结果，初步判断是探头表面脏污导致，对探头清洗后数据恢复正常。

2.2企业内部天然气计量转型问题

目前石化等工矿企业天然气采用体积计量，一般没有对天然气组成进行分析（从上游定期获取数据）或未采用动态组成数据对体积进行修正。计量天然气的一次仪表有超声流量计、差压式流量计、科氏质量流量计（采用密度修正换算为体积流量）等各类型仪表。所配流量数据处理设备（流量计算机、流量积算仪、DCS）功能各异。（1）网络型流量计算机：能实时进行数据采集、流量计量、换算和积算，计算压缩因子等物性参数，显示数据，具备与上位机进行数据交接网络通讯功能。（2）流量计算机：能实时进行数据采集、流量计量、换算和积算，显示数据。（3）流量积算仪：能实时进行数据采集、流量计量和积算，显示数据。（4）流量数据采集仪：能实时进行数据采集，显示数据。

2.3气质和噪声对计量的影响

除探头本身原因外，管道内气质情况、上下游噪声等都会影响超声波流量计的计量精度。GB/T18604《用气体超声流量计测量天然气流量》中指出，天然气气质对气体超声波流量计影响较大，尤其是粉尘、凝析油等对气体超声波流量计计量性能的影响较大。这些脏污在管壁和换能器上附着和堆积，如果现场清洗维护工作不及时，可能会带来较大的计量偏差。研究表明，探头脏污可对流量计流量输出带来0.3%以上的偏差。中国长输管道气源多来自于国内气田、LNG接收站、境外管道输入，气质情况无法保持一致。

3超声波流量计在天然气长输管道计量中的应用策略

3.1科学设计，高效运行

近些年，天然气已经成为人们生活必不可少的一项能源，在进入用户终端前需要经过城市门站的调压、计量等功能操作。在分输站调压系统设计过程中，要全天打开安全切断阀和监控调压阀。一旦供气流量超高界限值，调节阀会自动控制，保证整个管道和设备的安全。往往分输站场的进出压力相处较大，受到天气因素的影响，管道周边的土层可能会冻结，在设计阶段要充分将这一点考虑进去，在外围安装保护层和加固装置，避免管道变形，推动分输站的正常运行。压力流量控制主要是由调节阀、阻断器体、压力表等组成，为了提高运行效率，可以采取串联的方式将各设备和管路进行组转，形成一个一体化的监控系统，并用PLC来操控，全面分析分输站进入的压力和流量变化。除此之外，还要根据分输站控系统的规模大小来确定控制室和机柜间的具体布置，并绘制工艺设备分布图，以便后期施工快捷进行。由于大部分的分输站点的位置都处于深山荒漠，缺乏通信网络，为了保证传输信息的准确性，要设计安全性的站点网络系统，铺设通信光缆，从而实现精准控制。对站场安全设计板块，则需要构架紧急停车系统与放空系统，增强整个运输过程的可靠性。

3.2完善流量数据采集仪能量计量方案

（1）增加网络数据交换的赋值终端。（2）通过赋值终端上传温度和压力数据至平台或上位机。（3）在平台或上位系统上计算天然气工作条件和标准参比条件下的压缩因子（测量工作条件下的体积流量的流量计），以及标准参比条件下体积基或质量基（质量流量计）高位发热量，并通过赋值终端下传至流量数据采集仪。（4）在平台或上位系统进行流量计算、体积换算（测量工作条件下的体积流量的流量计）、能量计算、积算。

3.3规范设计流程，完善分输站点结构

天然气分输站场设计建造需要考虑各种印象因素，如阀门开关的切断、天然气的运输步骤、用户接收、流向输送，工程设计部门需多向思考，充分展现分输站点的功能作用。在长输管道运行中，天然气可能会混杂部分的杂质，在进入分输站点后，需要进行过滤分离。在设计站场生产区域时，要选取优质的过滤分离器或旋风分离器，主要是以颗粒物大小来取决，根本目的是大化节省资金。调压装置是站场设计的基础，在具体选择时要分类处理，尽量选取反应速度快、安全简易的类型。在排污装置框架设计中，所要考虑的因素较多，技术人员要着重考虑球阀和排污阀的错向安装，并用四氢噻吩对天然气进行加臭处理，剂量标准是20mg/m3。

3.4流量积算仪能量计量方案

（1）增加网络数据交换的赋值终端。（2）通过赋值终端上传温度、压力和流量数据至平台或上位系统。（3）在平台或上位系统上计算天然气工作条件和标准参比条件下的压缩因子（测量工作条件下的体积流量的流量计），以及标准参比条件下体积基或质量基（质量流量计）高位发热量，并通过赋值终端下传至流量积仪。（4）在平台或上位系统进行体积换算（测量工作条件下的体积流量的流量计）、能量计算、积算。

结束语

超声波流量计在天然气长输管道计量中，首先通过时间差法测得气体流速，再通过管道内径计算气体操作条件下的流量，最后利用压力、温度、气体组成计算气体压缩因子，将操作条件下的流量转换为标准参比条件下的流量，进行贸易交接。本文总结了在天然气长输管道计量中的一些常见问题及应对措施，其中探头工作效率，压力、温度、压缩因子采集精度都是影响计量结果的常见因素。因此，需定期清洗探头，测试探头工作状态，核查压力、温度、气体组成的采集情况，确保计量准确。

参考文献

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