气体超声波流量计

1、气体超声波流量计一天然气流量计量的发展趋势应用超声波原理测量流量始于1928年，而进入实用阶段约在20世 纪70年代，但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代，至今不到10年。由于气体超声波流量计具有许多传统流量计 （孔板、 涡轮、涡街等）无法相比的突出优点（见表1）,在天然气流量 计量领域中，它犹如一颗耀眼的新星，备受国内外工程技术界的关注。2000年6月在巴西召开的“FOLMEKO2000第十届流量测量国际学 术讨论会”上，重点讨论了超声波流量计，该方面的论文数占论文总 数的29.4%，接近1/3;而历届讨论最多的有关差压式的论文数仅占17.6%,不再成为热点。从发展趋势来看，由于超

2、声波流量计具有精 确度高、性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点，在工程 应用及国际贸易中，大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前， 美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。 据了解，我国也正对此进行技术 谁，制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为例， 经多次流量计量论证，已将气体超声波流量计作为流量计量的首选仪 表。据估算，该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整个工程中重要的检测参数，初步估计，管道为DN150-1000的大中型天然气输配计量站约数百个，DN100以下的流量计量所需仪表将以

3、万计，流量计量投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说，真是千载难逢！表1流量计的性能比较项目 Q孔板/涡街涡轮超声波小精确度(%)f1P土土土 0,成量程比3：30:U20:1300：管径范围(mm) 一50F00P5030010%。0751600P压损 t很大较小较小无。对涡流的敏感口很敏感 e很敏感。较敏感不敏感对流速分布的敏 感很敏感-很敏感较敏感 e不敏感w测脉动流爵不适合/不适合一不适合/适合/测双向流 Q不能 7不能=不能 q可以-测湿气体口不能 e不能见不能可以 q清洗管路口不能/不能尸不能可以/二原理1.流速测量目前用超声波法来测气体流量，时差法几乎是唯一的选择

4、。其测量原理如图1所示，A、B是安装在管道上的两个换能器(Transducer )，既可发射又可接受超声波。A牌上游，B牌下游， 两者轴向距离为X,声道长度为L。从A向B发出的超声波顺流向到 达B所需时间:MH Ae W朽濯由3站仰研 wtab=L/（C+Vmcos 0 ）式中C声速Vm声道上的平均流速0能器安装的倾角（声道角度）B接受信号后，向A返回的超声波信号为逆流向，所需时间为：tab=L/（C- Vmcos。）再考虑cos?=X/L ,两式相减化简可得V映七士卜L冬|N）wWBv.gongK,从式（1）可知，用时差法测流体的轴向速度与声速C无关，这就大 大简化了测量电路。 这个方法早为

5、人们所知， 但实际应用到测量气体 流量当时还有困难。近几年来由于集成电路的飞速发展， 可以精确测 量极其微小的时间差（达10-910-12s）,才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL（锁向环路）、TLL（时间锁定环路） 及LEFM（波前沿时间差法）等。2.流量测量流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V,它与上 述声道L上的平均流速Vm并不相等，可用系数K予以修正，K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re,在管道内充分发展的紊 流条件下K=1.119-0.011 lbgRe (2)当流速V变化10倍时，K值将变化1%,在进行精确测量时，必须 用K对流量值进行动态修正

6、。当管道的直管段不够长时，管内的流速分布不能形成充分发展的紊流，这将降低许多流量仪表测量的精确度。 而超声波流量计可采取多声道的办法(可采用8个换能器、4个声道以测量整个截面的流速， 如图(2)以减少受到的影响，帮仍可保持高达 坦.5% 1%的精确度。三特点时差式气体超声波流量计现已成为当今气体流量(特别是高压、大口径)计量的首选仪表，它的特点如下：(1)适用于大口径管道测量，口径范围751200mm ,最大口径可达1600mm ;(2)精确度一般优于 也.5%，重复性可达 也.1%;(3)量程比很宽，可达300 : 1以上；(4)所需上下游直管段较短，上游为10D,下游为3D;(5)无可动部

7、件，使用安全、可靠；(6)换能器轻巧，所占空间小，安装维护方便；(7)无压损，为节能产品，可降低输气管道增压费用；(8)可进行双向流量测量；(9)不测质量流量；(10)不受涡流及横截面流速分布变化的影响；(11)可精确测量脉动流；(12)不受温度、压力、气体组分变化的影响；(13)不受沉淀物、湿气的影响；(14)可在不断流、带压状态下更换换能器；(15)具有白检、白诊断功能；(16)管内无阻流件，可允许清洗球白由通过管道和流量计， 清洗容 易。四标定虽然美国燃气协会的AGA9号报告认为采用超声波流量计测量天然气允许误差为 坦.7%(口径小于300mm可允许土),按目前国外 制造商的水平，不进行

8、标定基本上都可以达到这个精确度要求。 但不 少天然气供应商在贸易计量时，为减少损失，仍希望通过标定来提高 仪表的精确度。据Edgar估计，在DN400的管道中，输送6Mpa压 力、750M3/h流量的天然气，如流量计误差为了0.7% ,天然气价格 按7美元/100M3计，那么每年将少收180万美元。而标定一台口径400mm的超声流量计，每次仅需约34万美元，几个工作日就可回 收标定费用。标定方式可以有实流标定及干标定两种方式。1.实流标定实践证明，影响超声波流量精确度的因素很多， 在实验室条件下进行 实流标定是提高流量计精确度行之有效的方法。实流标定可采取基准 法及比对法。基准法是通过基本的物

9、理量作为流量的基准备来标定被 校流量计，如Mt法；而比对法则是将一只精确度较高的流量计作为 标准表，与被校仪表串联在同一管道上，在相同的流量下，比对两只 流量计的差值，然后用流量系数来修正被校仪表的流量值， 这种方法 较基准法实施起来较为简便，但精确度低于基准法。以上两种标定方法，在我国成都华阳天然气流量计量站均可进行。表23家公司的超声波流量计性能公司名称一InstrometControlotronDaniels口径(mm) 31001600P5CT120O1501050一流速范围(m/s)。-30 +30-46+46-0.3+35Q量程比，300:IP300 * : 1。200： 1声道1

10、6P广心4Q精确度(%)。W 土 0. 5/W 土 0.5PW 土 0.5P重复性W 土 5mm/s_W 土 0. %W 土 0.2%Q压力范围(Mpa) /5爵(T42Q1 18温度范围(C).-20 +60 * p-20232-20 +85 * -模拟输入(mA).0 20-420广 20模拟输出。020IUAQ010V, 420mA-4 20 mA数据接口 -RS-485/RS-232,RS-232/RS-485一RS-485 /RS-2321310P10p推荐下游直管长度(D)33P安全防爆标志-EExidIIT6ppEExidHT4/功耗(W)3W7pW15电源DC 24V.AC 110、230DC 9 36V、 AC90230VPDC 2028V、 AC115、230V 1OP防护等级，IP65IP65-IP65。2.干标定实流标定较适用于DN300MM以下口径的流量计，而对于较大口径 的流量计进行实流标定不仅拆装运输很繁琐，费用也过于昂贵，而且实际上未必有这么大的标定装置。鉴于过去几十年来对孔板流量计实 行干标，取得了不少经验且剖有成效，而超声流量计也无法转动部件， 可以借鉴孔板的干标。其方法如下。(1)几何尺寸测定：精密测量流量计壳体内部几何尺寸，是干标法的