超声波流量计在城市燃气管网的应用.docx

超声波流量计在城市燃气管网的应用2014-7-24分享到：QQ空间新浪微博开心网人人网摘要：介绍超声波流量计的工作原理，与罗茨流量计进行性能对比。探讨了超声波流量计计量精度的主要影响因素(气体组成、流场、脏污)及应对措施。关键词：超声波流量计；罗茨流量计；贸易计量；计量精度Application of Ultrasonic Flowmeter to City Gas Pipe NetworkAbstract：The working principle of ultrasonic flowmeter is introduced，and its performance is compared with that of Roots flowmeterThe main factors including gas composition，flow field and dirtiness that influence uhrasonie flowmeter measurement precision and response measures are discussedKeywords：ultrasonic flowmeter；Roots flowmeter；trade measurement：measurement aceuracy1概述1928年，德国人成功研制了第一台超声波流量计。20世纪70年代，超声波流量计的使用范围还仅局限于测量液体。随着电子技术和数据处理能力的飞速发展，可以实现各种补偿和运算，可自动修正流场分布变化造成的误差。超声波流量计以其非接触式、测量范围大、无运动部件、精度高等无可比拟的独到优势，逐渐成为流量检测领域的一个新亮点。对于气体测量，20世纪70年代主要以孔板流量计为主，80年代出现了涡轮流量计代替孔板流量计的热潮，90年代罗茨流量计以小流量优势引进到我国被广泛使用。l998年，ISO发布了用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量，2001年我国制订了GBT 186042001用气体超声流量计测量天然气流量，该标准适用于传播时间差法气体超声波流量计，管道的公称直径等于或大于l00mm，压力不低于0.1MPa。这些标准对促进气体超声波流量计的发展起到了很大作用。目前，超声波流量计在我国西气东输长输管道及一些大型门站等高压天然气计量系统中已得到广泛使用1-4。虽然在小口径(公称直径小于l00mm)管道计量领域尚未有相应的标准，但随着在全国各地工业用户和区域计量方面的普及和应用，超声波流量计在天然气终端用户的贸易计量方面将发挥越来越大的作用。2超声波流量计超声波流量计是通过超声波在流动流体中的传播，承载流体流速信息，将信号进行处理，转换成流量信息。超声波流量计与传统的流量计相比，具有体积小、测量范围大、安装简便、免维护、零压损及始动流量低等优点，是一种理想的流量汁。工作原理根据测量原理的不同，气体超声波流量计可分为传播时间差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法4种。其中多普勒法是依据声波中的多普勒效应，其检测量为漂移频率。使用多普勒法的限制条件比较苛刻，只适合于测量含有一定异相的液体。目前普遍采用传播时间差法进行流量测量。传播时间差法是利用声波在气体中沿顺流传播的时间和沿逆流传播的时间差来进行流速测量。传播时间差法的关键在于能准确测定超声波在两个换能器之间的传播时间。超声波在气体中沿顺流、逆流传播的时间计算公式分别为：式中t1超声波在气体中沿顺流传播的时间，sL超声波的声程长度，mc超声波在静止流体中的声速，msv气体的流动速度，msq气体流动方向与超声波传播方向的夹角，()t2超声波在气体中沿逆流传播的时间，s由式(1)、(2)可以推导出被测气体的流速计算式：从式(3)可以看出，气体的流速与声速无关，只与超声波的声程长度、流体流动方向与超声波传播方向的夹角和超声波在气体中传播的时间有关。超声波流量计有很高的计量精度。与罗茨流量计的性能对比罗茨流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体的体积流量。罗茨流量计接连不断地对流体进行测量，体积庞大，被测介质种类、管道直径、介质工作状态局限性较大，大部分罗茨流量计只适用于洁净单相流体，在使用过程中容易产生噪声和振动。超声波流量计和罗茨流量计的性能对比见表l。单声道、多声道超声波流量计超声波流量计分为单声道超声波流量计和多声道超声波流量计。单声道超声波流量计是在被测管道上安装一对换能器构成一个超声波通道。其结构简单，使用方便，但对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的管道。多声道超声波流量计是在被测管道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道超声波流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管道。鉴于超声波流量计价格比较高，以往在选择流量计时，一般原则是管径大于等于100mm时，选择超声波流量计；管径小于100mm时，选择罗茨流量汁。一般的超声波流量计，加装整流器后，前后直管段要求是前3D后2D。近期日本爱知时计电机株式会社和山东思达特公司联合开发的基于传播时间差法测量原理的AS系列超声波流量计，采用单声道测量技术，加装整流器后，前后直管段要求是前0D后3D。其适用范围大，结构简单，性能稳定，拥有较高性价比。超声波流量计的优点超声波流量计测量范围大、维护工作量小的特点，适合于酒店、宾馆以及用气量波动大的工业用户，可以避免漏计，能够使燃气公司减少输差损失。AS系列超声波流量计1：400的超大量程比，如果用作居民小区总表，配合目前成熟的物联网数据远传技术，可以实现整个城市输差的实时动态显示，可以实时了解整个城市的输差以及用气高峰等数据。在燃气公司管网运营调度管理、计量输差查找、管道泄漏安全等方面，可以提供实时的数据支撑，解决了城市管网实时动态输差管理、管道破裂预知等难题。3计量精度主要影响因素及应对措施气体超声波流量计需要面对气体输送过程中的各种干扰，比如压力调节装置带来的气体噪声、介质中的粉尘杂质、管道流场变化等。通过对超声波换能器的合理布置及加装整流器等措施，可以有效避免或减弱上述影响，保证测量精度。气体组成声波在不同气体中的传播速度不同，基于传播时间差法测量原理的超声波流量计避开了声速的影响，从而避免了因气体组成不同造成的计量误差。AS系列超声波流量计能提供声波在气体中的声速，可实现在线实时工解超声波流量计的计量精度。流场超声波流量计对流场状况比较敏感，在良好的流场环境中，单声道流量计可以达到0.5的计量精度。当管道中产生涡流时，测得的平均流速与实际流速存在一定误差。流量计在安装使用过程中，需要保证流量计与管道的同心度，以及保证相应的前后直管段长度(厂家要求至少保证前10D后5D)，这也是超声波流量计相对于涡轮、罗茨流量计的一个缺点。通过在管段内合理布置声道位置，可以提高流量计对环向流和横向流的适应能力，通过长期的仿真计算和数据分析，证实可以通过在管道中加装整流器的方式来缩短前后直管段长度。整流器的作用是尽量减少或者消除复杂流动的不利影响，提高计量精度。脏污当测量介质中含有粉尘、油雾等脏污并附着在管壁或换能器上时，超声信号是否会受干扰导致计量精度下降，也是衡量超声波流量计性能的指标之一。超声波具有穿透性，细微的灰尘以及水珠对其没有任何影响。AS系列超声波流量计在超声波换能器设计方面具有独特的一面：首先是半球面式的换能器避免大型颗粒及污物存留，其次是背流向的换能器上设计了一个旋涡发生装置，可以避免污物存留。同时针对脏污影响进行了大量的性能测试，包括耐潮性测试、耐灰尘性测试、灰尘与水珠同时存在时的测试及耐油污性测试。耐潮性测试、耐灰尘性测试、灰尘与水珠同时存在时的测试及耐油污性测试是分别在超声波流量计内壁喷射一层水珠、灰尘、灰尘与水珠或涂抹一层矿物质油进行测试。结果显示：只要超声波流量计能接收到声波的穿透信号，计量精度均不会发生改变。而对于涡轮、罗茨流量计，虽然在表前安装了过滤器，但细微灰尘还是会存留于叶轮与腰轮之上，计量精度均有所下降，下降1.53.5。4结语近几年，燃气户用超声波表在日本、欧美等国家开始大量推广使用，国内各大型燃气表厂家也在生产推广燃气户用超声波表，但核心技术仍掌握在日本、欧美等国家。超声波技术在燃气计量方面的成熟性毋庸置疑，但是，我们也应该看到国内相关的标准有待完善。燃气户用超声波表的国家标准正在起草中，超声波流量计的相关国家标准，如GBT 186032001天然气计量系统技术要求、GBT 186042001用气体超声流量计测量天然气流量关于多声道超声波流量计内容比较详尽，而对单声道超声波流量计仅规定“单声道超声波流量计的测量性能可比多声道超声波流量计的测量性能要求低，具体指标由制造厂提供”。因此现阶段在选用单声道超声波流量计时，建议采用知名厂家或厂家企业标准比较健全的品牌产品，以弥补目前国家相关标准不完善的缺憾。对于检定方式，各地计量院主要以JJG l981994速度式流量计为依据，JJG 10302007超声流量计中的声速对比法检定仍未被普及使用。参考文献：1冯宝庭，唐所臣天然