摘要：闡述了天然氣超聲波流量計的特點和待解決的問題，分析了實流測試的結果。
關鍵詞：天然氣； 超聲波流量計； 標定； 實流測試
Application of Natural Gas Ultrasonic Flowmeter
FENG Bao-ting1．TANG Suo-chen2
(1．Tianjin Construction Management School，Tianjin 300250，China；2．Second Sales Branch of Tianjin Gas Group Co.，Ltd．，Tianjin 300191，China)
Abstract：The characteristics of natural gas ultrasonic flowmeter and the problems to be in need of solution are described，and the result of practical flow measurement is analyzed．
Key words：natural gas；ultrasonic flowmeter；calibration；practical flow measurement
天然氣流量測量的準確性直接影響到燃氣企業的經濟效益，隨著我國燃氣行業的發展，超聲波流量計在天然氣領域的應用前景看好［1、2］。我國于2001年制訂了國家標準GB/T 18604—2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》。為了驗證超聲波流量計的性能，我們對超聲波流量計進行了系統測試，并在實地進行了測量試驗，為超聲波流量計在我國燃氣行業中的推廣使用積累經驗。
1 超聲波流量計的特點
根據超聲波流量計對信號檢測的原理，可將其分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、空間濾法及噪聲法等。超聲波流量計特別適用于大口徑管道流量的測量，主要有以下優點：①可進行非接觸式測量；②測量時無流動阻擾，無壓力損失；③可測量非導電性液體。實地測試與現場應用也證明超聲波流量計具有準確度高、重復性好、量程寬、抗干擾能力強、維修工作量少、能測量雙向流等優點。
由于天然氣流量測量涉及面廣，隨著應用對象的不同，對其在不同場合有不同的要求。盡管超聲波流量計有許多優點，但還不可能完全替代其他類型流量計。特別是在標定不能妥善解決之前，孔板流量計仍是天然氣計量的主要儀器之一。目前，超聲波流量計還應解決以下問題：①針對上游不同類型阻力件產生的影響，如何合理確定不同情況下流量計上游直管段的長度；②操作壓力、溫度及氣體組成的變化對流量測量的影響及校正辦法；③不同雷諾數下速度分布削面修正系數的精確確定，以及流量計主體幾何尺寸的誤差對精度的影響。④探頭的穩定性及互換性；⑤傳播時差法只適用于清潔的液體和氣體；⑥多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體，且測量精度不高。
2 超聲波流量計的測試
對用于貿易計量的超聲波流量計，供需雙方都要求其測量精度高，所以標定很重要。對于直徑小于300mm的管道，超聲波流量計的標定還可以做到；對于直徑大于300 mm的高壓大流量管道，超聲波流量計的標定還很難辦到。
在計量站采用不確定度為0.25％的臨界流文丘里噴嘴作為流量標準裝置，結合JJG 198—1994檢定規程進行了以下測試：①不同聲道；②不同管徑：⑧不同安裝條件；理想安裝條件為17D以內無彎頭(D為管道的公稱直徑)、無過渡部件、無阻力件等，流場較穩定，無脈動流，無旋渦流；非理想安裝條件為在超聲波流量計上游13D前安裝阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器等；④不同安裝方向；⑤不同壓力。測試結果如下．
①超聲波流量計適用于高壓、大口徑、大流量的工況條件，但對小于拐點流量(拐點流量用qt表不，一般是最大流量的10％)的流量段應慎用。在標準工況下，對直徑為300mm的管道在理想安裝條件下和非理想安裝條件下測試結果進行比較，除流量為240m3/h時，非理想安裝條件下測試相對誤差為1.45％外，其余各點都在指標內。
②超聲波流量計的計量不受氣體流向的影響，能以相同的準確度進行雙向流量計量(見圖1)
Fig.1 Results of positive and inverse flow measurement under ideal installation condition
③對同一生產廠家的超聲波流量計，聲道數越多，計量準確度越高，性能越可靠(見表1)。
表1 理想安裝條件下聲道數對超聲波流量計的影響
Tab.1 Influence of number of sound channels on ultrasonic flowmeter under ideal installation condition
序號 聲道 流量≤qt 流量>qt
相對誤差/％ 重復性/％ 相對誤差/％ 重復性/％
1 五聲道 -0.32 0.16 -0.64 0.30
2 三聲道 -0.38 0.20 O．93 0.26
3 雙聲道 -0.65 -0.39 -0.77 0.26
4 單聲道 0.96 0.44 -1.14 0.48
④超聲波流量計的出廠檢定與實流標定之間存在誤差，出廠檢定合格后，需經實流校準。有時由于安裝造成的相對誤差可能超過0.3％，如四聲道超聲波流量計出廠時流量系數為1.0062，在理想安裝條件下測試能保證精確度優于±0.5％，但在非理想安裝條件下實流校準設置的參數無法達標，因此應根據現場工況進行實流量標定(見圖2)。
Fig.2 Results of flow measurement before and after coefficient adjustment under non-ideal installation condition
⑤對直徑為300 mm的流量計，從三聲道和四聲道超聲波流量計在同等條件下的測試結果可以看出，在流量計聲道出現故障時，聲道多的流量計能有效進行判斷和補償(見圖3)。
Fig.3 Measurement result of ultrasonic flowmeter with three and four sound channels(flow coefficient：1.0062)
⑥超聲波流量計在理想安裝條件下，壓力為2.0、1.2、0.8MPa，流量的相對誤差略有不同(見圖4)，流量的相對誤差、重復性和峰間誤差均達標。在超聲波流量計入口無旋渦流和脈動流情況下，在正常工作壓力范圍內，能保證超聲波流量計精度優于±0.5％。
在現場測試時，將五聲道超聲波流量計和四聲道超聲波流量計與孔板流量計進行了比較，試驗管道的直徑為300 mm，工作壓力約0.9MPa，流量約6000 m3/h。還采用五聲道超聲波流量計測量直徑為300 mm的管道的流量，用單聲道超聲波流量計測量直徑為1500mm的管道的流量，結果表明其性能穩定、可靠，能適應壓力和流量具有一定波動幅度的工況條件，流量計算機能自動顯示瞬時流量、累積流量、壓力、溫度等參數，具有無壓損、可測脈動流、自動化程度高、現場使用操作簡便、故障自診斷能力強、測量范圍寬、抗干擾能力強等優點。
Fig.4 Measurement result at different pressures under ideal installation condition(flow coefficient：1.0062)
3 結論
①對大口徑、高流量的計量系統宜采用超聲波流量計。
②超聲波流量計計量準確度可優于±0．5％，具有準確度高、重復性好、量程比大、抗干擾能力較強、維修量小、可測雙向流等特點。為保證計量系統精度，在現場使用前須經實流測試校準，在拐點流量以下流量段應慎用。
參考文獻：
[1]周偉國，胡海軍，金穎．超聲波流量計的應用與誤差分析[J]．煤氣與熱力，2001，21(4)：337—339．
[2]鄧峪泉，黃淼．天然氣超聲波流量計的應用及檢定[J]．煤氣與熱力，2005，25(5)：44—46．
關鍵詞：天然氣； 超聲波流量計； 標定； 實流測試
Application of Natural Gas Ultrasonic Flowmeter
FENG Bao-ting1．TANG Suo-chen2
(1．Tianjin Construction Management School，Tianjin 300250，China；2．Second Sales Branch of Tianjin Gas Group Co.，Ltd．，Tianjin 300191，China)
Abstract：The characteristics of natural gas ultrasonic flowmeter and the problems to be in need of solution are described，and the result of practical flow measurement is analyzed．
Key words：natural gas；ultrasonic flowmeter；calibration；practical flow measurement
天然氣流量測量的準確性直接影響到燃氣企業的經濟效益，隨著我國燃氣行業的發展，超聲波流量計在天然氣領域的應用前景看好［1、2］。我國于2001年制訂了國家標準GB/T 18604—2001《用氣體超聲波流量計測量天然氣流量》。為了驗證超聲波流量計的性能，我們對超聲波流量計進行了系統測試，并在實地進行了測量試驗，為超聲波流量計在我國燃氣行業中的推廣使用積累經驗。
1 超聲波流量計的特點
根據超聲波流量計對信號檢測的原理，可將其分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、空間濾法及噪聲法等。超聲波流量計特別適用于大口徑管道流量的測量，主要有以下優點：①可進行非接觸式測量；②測量時無流動阻擾，無壓力損失；③可測量非導電性液體。實地測試與現場應用也證明超聲波流量計具有準確度高、重復性好、量程寬、抗干擾能力強、維修工作量少、能測量雙向流等優點。
由于天然氣流量測量涉及面廣，隨著應用對象的不同，對其在不同場合有不同的要求。盡管超聲波流量計有許多優點，但還不可能完全替代其他類型流量計。特別是在標定不能妥善解決之前，孔板流量計仍是天然氣計量的主要儀器之一。目前，超聲波流量計還應解決以下問題：①針對上游不同類型阻力件產生的影響，如何合理確定不同情況下流量計上游直管段的長度；②操作壓力、溫度及氣體組成的變化對流量測量的影響及校正辦法；③不同雷諾數下速度分布削面修正系數的精確確定，以及流量計主體幾何尺寸的誤差對精度的影響。④探頭的穩定性及互換性；⑤傳播時差法只適用于清潔的液體和氣體；⑥多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體，且測量精度不高。
2 超聲波流量計的測試
對用于貿易計量的超聲波流量計，供需雙方都要求其測量精度高，所以標定很重要。對于直徑小于300mm的管道，超聲波流量計的標定還可以做到；對于直徑大于300 mm的高壓大流量管道，超聲波流量計的標定還很難辦到。
在計量站采用不確定度為0.25％的臨界流文丘里噴嘴作為流量標準裝置，結合JJG 198—1994檢定規程進行了以下測試：①不同聲道；②不同管徑：⑧不同安裝條件；理想安裝條件為17D以內無彎頭(D為管道的公稱直徑)、無過渡部件、無阻力件等，流場較穩定，無脈動流，無旋渦流；非理想安裝條件為在超聲波流量計上游13D前安裝阻力件、雙彎頭、T形彎頭、伸縮器等；④不同安裝方向；⑤不同壓力。測試結果如下．
①超聲波流量計適用于高壓、大口徑、大流量的工況條件，但對小于拐點流量(拐點流量用qt表不，一般是最大流量的10％)的流量段應慎用。在標準工況下，對直徑為300mm的管道在理想安裝條件下和非理想安裝條件下測試結果進行比較，除流量為240m3/h時，非理想安裝條件下測試相對誤差為1.45％外，其余各點都在指標內。
②超聲波流量計的計量不受氣體流向的影響，能以相同的準確度進行雙向流量計量(見圖1)
Fig.1 Results of positive and inverse flow measurement under ideal installation condition
③對同一生產廠家的超聲波流量計，聲道數越多，計量準確度越高，性能越可靠(見表1)。
表1 理想安裝條件下聲道數對超聲波流量計的影響
Tab.1 Influence of number of sound channels on ultrasonic flowmeter under ideal installation condition
序號 聲道 流量≤qt 流量>qt
相對誤差/％ 重復性/％ 相對誤差/％ 重復性/％
1 五聲道 -0.32 0.16 -0.64 0.30
2 三聲道 -0.38 0.20 O．93 0.26
3 雙聲道 -0.65 -0.39 -0.77 0.26
4 單聲道 0.96 0.44 -1.14 0.48
④超聲波流量計的出廠檢定與實流標定之間存在誤差，出廠檢定合格后，需經實流校準。有時由于安裝造成的相對誤差可能超過0.3％，如四聲道超聲波流量計出廠時流量系數為1.0062，在理想安裝條件下測試能保證精確度優于±0.5％，但在非理想安裝條件下實流校準設置的參數無法達標，因此應根據現場工況進行實流量標定(見圖2)。
Fig.2 Results of flow measurement before and after coefficient adjustment under non-ideal installation condition
⑤對直徑為300 mm的流量計，從三聲道和四聲道超聲波流量計在同等條件下的測試結果可以看出，在流量計聲道出現故障時，聲道多的流量計能有效進行判斷和補償(見圖3)。
Fig.3 Measurement result of ultrasonic flowmeter with three and four sound channels(flow coefficient：1.0062)
⑥超聲波流量計在理想安裝條件下，壓力為2.0、1.2、0.8MPa，流量的相對誤差略有不同(見圖4)，流量的相對誤差、重復性和峰間誤差均達標。在超聲波流量計入口無旋渦流和脈動流情況下，在正常工作壓力范圍內，能保證超聲波流量計精度優于±0.5％。
在現場測試時，將五聲道超聲波流量計和四聲道超聲波流量計與孔板流量計進行了比較，試驗管道的直徑為300 mm，工作壓力約0.9MPa，流量約6000 m3/h。還采用五聲道超聲波流量計測量直徑為300 mm的管道的流量，用單聲道超聲波流量計測量直徑為1500mm的管道的流量，結果表明其性能穩定、可靠，能適應壓力和流量具有一定波動幅度的工況條件，流量計算機能自動顯示瞬時流量、累積流量、壓力、溫度等參數，具有無壓損、可測脈動流、自動化程度高、現場使用操作簡便、故障自診斷能力強、測量范圍寬、抗干擾能力強等優點。
Fig.4 Measurement result at different pressures under ideal installation condition(flow coefficient：1.0062)
3 結論
①對大口徑、高流量的計量系統宜采用超聲波流量計。
②超聲波流量計計量準確度可優于±0．5％，具有準確度高、重復性好、量程比大、抗干擾能力較強、維修量小、可測雙向流等特點。為保證計量系統精度，在現場使用前須經實流測試校準，在拐點流量以下流量段應慎用。
參考文獻：
[1]周偉國，胡海軍，金穎．超聲波流量計的應用與誤差分析[J]．煤氣與熱力，2001，21(4)：337—339．
[2]鄧峪泉，黃淼．天然氣超聲波流量計的應用及檢定[J]．煤氣與熱力，2005，25(5)：44—46．
