摘 要： 基于超聲流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀、性能特點(diǎn)、計(jì)量原理、結(jié)構(gòu)組成，及中烏輸氣管道的生產(chǎn)和商業(yè)計(jì)量需求，從系統(tǒng)組成、設(shè)備安裝、信號(hào)傳輸?shù)确矫娼榻B了中烏輸氣管道超聲計(jì)量系統(tǒng)。系統(tǒng)由4聲道超聲流量計(jì)（USM）、流量計(jì)算機(jī)（FC）、壓力變送器（PT）、溫度變送器（TT）和氣相色譜儀（GC）等設(shè)備組成，超聲流量計(jì)成橇安裝，USM、PT、TT和GC的數(shù)據(jù)信號(hào)分別傳到FC，F(xiàn)C負(fù)責(zé)根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀況下計(jì)量交接的體積流量。對(duì)系統(tǒng)使用中的幾個(gè)技術(shù)問題進(jìn)行了分析和探討，包括標(biāo)況流量范圍、噪聲干擾、管道和氣流的清潔、小流量擾動(dòng)、振動(dòng)、聲道報(bào)警、備用斷電、環(huán)境溫度等，提出了方法和建議，對(duì)超聲流量計(jì)的操作和維護(hù)有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵字： 超聲流量計(jì) 中烏管道 計(jì)量系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 原理 安裝 信號(hào)傳輸 時(shí)間差法
利用超聲波的原理測(cè)量流量始于1928年，于20世紀(jì)70年代進(jìn)入實(shí)用階段，但僅限于測(cè)量液體流量，測(cè)量氣體流量則始于90年代。與孔板、渦輪、渦街等傳統(tǒng)流量計(jì)相比，超聲流量計(jì)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)（表1），在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，目前已從單聲道流量計(jì)發(fā)展到4聲道、5聲道和6聲道流量計(jì)，國內(nèi)西氣東輸、川氣東送等重大管道工程都使用了Daniel4聲道超聲流量計(jì)。比較有代表性的制造商有Daniel（被Emerson收購）、Instromet（被Elster收購）、RMG、FMC、Controlotron等公司。
1 超聲流量計(jì)的性能特點(diǎn)
超聲流量計(jì)適用于各種管徑管道流量的高準(zhǔn)確度計(jì)量（表1），而且管道流量和管徑越大，準(zhǔn)確度越高。超聲流量計(jì)的性能優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在諸多方面：可長期穩(wěn)定運(yùn)行，大大降低了維護(hù)費(fèi)用；測(cè)量范圍（量程比）很寬，一般為1∶40～1∶160，最大可達(dá)1∶300；重復(fù)性高，有的可實(shí)現(xiàn)雙向流量計(jì)量；所需上下游直管段較短；無可動(dòng)部件，使用安全、可靠；超聲換能器輕巧，所占空間小，安裝維護(hù)方便；流量計(jì)本體無壓損，可降低長輸管道的增壓費(fèi)用；不受渦流與橫截面流速分布變化的影響；可精確測(cè)量脈動(dòng)流；不受沉淀物、濕氣的影響；具有自檢、自診斷功能；管內(nèi)無阻流件，可允許清洗球自由通過管道和流量計(jì)，便于清洗；無磨損，示值無零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，偏移誤差??；動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍寬；不受壓力、溫度、氣體組分變化的影響；增加聲速核查功能后不再需要頻繁檢定。
表1 不同類型流量計(jì)的性能特點(diǎn)
2 中烏天然氣管道超聲計(jì)量系統(tǒng)
2.1 計(jì)量站設(shè)置
中烏天然氣管道總長約529km，南起土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦邊境的格達(dá)伊姆，北至烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦邊境。為了計(jì)量土庫曼斯坦的來氣量和哈薩克斯坦境內(nèi)的進(jìn)氣量，分別在管道起點(diǎn)和終點(diǎn)建立了WKC1和MS兩個(gè)計(jì)量站。一期工程均使用Emerson提供的計(jì)量設(shè)備，全線共設(shè)計(jì)安裝DN400超聲波流量計(jì)16臺(tái)，8臺(tái)用于WKC1站的生產(chǎn)計(jì)量，8臺(tái)用于MS站的商業(yè)計(jì)量。其中，WKC1站的8臺(tái)流量計(jì)分為2組，分別計(jì)量A、B線來氣，每組4臺(tái)，設(shè)計(jì)為3用1備，每路計(jì)量管道出口均設(shè)流量調(diào)節(jié)閥，用以控制管道出口壓力；MS站計(jì)量區(qū)的8臺(tái)流量計(jì)沒有分組，設(shè)計(jì)為6用2備，每路計(jì)量管道出口均未設(shè)工作調(diào)節(jié)閥，不能控制管道出口壓力，計(jì)量系統(tǒng)配置與WKC1站相同。
2.2 計(jì)量系統(tǒng)組成與設(shè)備參數(shù)
超聲計(jì)量系統(tǒng)由超聲流量計(jì)（USM）、流量計(jì)算機(jī)（FC）、壓力變送器（PT）、溫度變送器（TT）和氣相色譜分析儀（GC）等設(shè)備組成。
FC通過對(duì)USM測(cè)得的流量進(jìn)行體積修正，得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量公式：
式中：Vn為FC根據(jù)氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的天然氣體積流量，m3/h；Vf為USM測(cè)得的工作狀況下的天然氣體積流量，m3/h；pf為PT測(cè)得的流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)壓力，MPa；pn為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.101325MPa；Tf為TT測(cè)得的流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)熱力學(xué)溫度，K；Tn取293.15K；Zf為工作狀況下流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)壓縮因子，由FC根據(jù)GC分析得到的組分值按照計(jì)算求得，無量綱；Zn為換算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下流經(jīng)流量計(jì)的天然氣瞬時(shí)壓縮因子，由FC根據(jù)GC分析得到的組分值按照計(jì)算求得，無量綱。
中烏天然氣管道的兩套計(jì)量系統(tǒng)均由8臺(tái)USM、FC、PT、TT和1臺(tái)GC組成。其中16臺(tái)超聲流量計(jì)經(jīng)中國國家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站校準(zhǔn)，其他設(shè)備經(jīng)烏茲別克斯坦計(jì)量服務(wù)中心檢定合格（表2）。
表2 中烏天然氣管道超聲計(jì)量系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)
2.3 系統(tǒng)安裝
超聲流量計(jì)采用成橇安裝（圖1）方式。根據(jù)要求，在超聲流量計(jì)上游10D（管道內(nèi)徑）處安裝Emerson提供的盤式整流器，用于調(diào)整上游氣體的流態(tài)；在流量計(jì)表體安裝壓力變送器；在流量計(jì)下游（3～5）D處安裝溫度變送器。氣相色譜儀安裝在進(jìn)站管道旁專用的分析室中，便于從管道中采集氣樣；氣相色譜分析儀配套的2350型控制器安裝在站控室的計(jì)量機(jī)柜上，流量計(jì)算機(jī)安裝在站控室的計(jì)量機(jī)柜中，與超聲流量計(jì)一一對(duì)應(yīng)。
2.4 信號(hào)傳輸
USM測(cè)得的工況體積流量為脈沖信號(hào)，通過現(xiàn)場(chǎng)與站控室之間的RS485數(shù)據(jù)線傳到FC；PT、TT測(cè)得的壓力、溫度為（4～20）mA信號(hào)，通過模擬量數(shù)據(jù)線傳到FC；GC分析得到的天然氣組分值為（4～20）mA信號(hào)，首先傳到2350控制器，由2350控制器轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)分別傳到各FC。最后，F(xiàn)C根據(jù)工況下的各參數(shù)計(jì)算計(jì)量交接標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量。
圖1 超聲流量計(jì)安裝示意圖
3 中烏天然氣管道超聲流量計(jì)
3.1 結(jié)構(gòu)組成
超聲流量計(jì)由流量計(jì)表體、超聲傳感器（又稱超聲換能器或超聲探頭）及其安裝部件、信號(hào)處理單元（SPU）和流量計(jì)算機(jī)組成（圖2）。
圖2 超聲流量計(jì)結(jié)構(gòu)組成示意圖
SPU接收超聲傳感器信號(hào)，具有處理、顯示、輸出和記錄測(cè)量結(jié)果的功能，它由電源、微處理器（MarkIII板）、信號(hào)處理組件和超聲換能器激振電路等組成，現(xiàn)場(chǎng)的電信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換部件安裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
Daniel3400超聲流量計(jì)的換能器結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢的影響，壽命較長；頻率高，功耗低，低電壓工作，高效安全；可以在線更換，更換電纜不影響工作和精度。
流量計(jì)算機(jī)是用于流量計(jì)控制、顯示和存儲(chǔ)的專用計(jì)算機(jī)。FC具有對(duì)SPU進(jìn)行就地和遙控組態(tài)、監(jiān)控流量計(jì)運(yùn)行的功能，其上位機(jī)（工控機(jī)）用于顯示累積流量、平均流速、平均聲速、歷史曲線，以及檢測(cè)和控制支路閥門、超壓報(bào)警或完成站場(chǎng)其他管理和控制的任務(wù)。
流量計(jì)表體是兩端帶管法蘭的直管段，它和測(cè)量直管段是承壓部件，要求有一定的抗腐蝕能力，內(nèi)徑與計(jì)量對(duì)象管道一致。Daniel3400超聲流量計(jì)的表體采用整體鑄造，以減少焊縫接口，削弱表體熱脹冷縮對(duì)計(jì)量的影響。
3.2 計(jì)量原理
中烏天然氣管道使用4聲道超聲流量計(jì)，測(cè)量原理為時(shí)間差法，以其中1個(gè)聲道為例闡述其計(jì)量原理。
流量計(jì)本體中安裝兩個(gè)能發(fā)送和接收超聲脈沖的傳感器，其安裝方式使得1個(gè)傳感器發(fā)出的超聲脈沖能夠被另1個(gè)傳感器接收，從而形成聲道。兩個(gè)傳感器輪流發(fā)射和接收脈沖，超聲脈沖相對(duì)于氣體以聲速傳播。沿聲道順流傳播的超聲脈沖的速度因被測(cè)氣體流速在聲道上的投影（方向相同）而有所增加，而沿聲道逆流傳播的超聲脈沖的速度因被測(cè)氣體流速在聲道上的投影（方向相反）而有所減少，因此得到了超聲脈沖在順流和逆流方向上的傳播時(shí)間差。高頻聲脈沖在氣體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與氣體流速成正比，超聲流量計(jì)正是基于這一原理來測(cè)量氣體流量的，屬于速度式流量計(jì)（圖3）。
圖3 超波流量計(jì)原理示意圖
在聲程內(nèi)，超聲波沿順流方向和沿逆流方向的傳播時(shí)間分別為：
沿聲程測(cè)得的被測(cè)氣體的平均流速為：
這是沿聲道長度上的平均線性加權(quán)氣體流速，需對(duì)氣體流速進(jìn)行修正，并基于此得出氣體流量的計(jì)算公式：
式中：qf為工況體積流量，m3/s；A為管道截面積，m2；ts為超聲波順流傳播的時(shí)間，s；tn為超聲波逆流傳播的時(shí)間，s；L為聲程，即超聲波在聲道中傳播的距離，m；D為管道內(nèi)徑，m；θ為管軸線與傳感器聲道之間的夾角；K為速度分布剖面的修正系數(shù)。
4 使用中的幾個(gè)技術(shù)問題
4.1 標(biāo)況流量范圍
標(biāo)況流量是管道運(yùn)行中的重要指標(biāo)之一，但是否投用超聲流量計(jì)取決于工況流量而非標(biāo)況流量。高壓大流量超聲流量計(jì)，通常在大流量區(qū)間的計(jì)量準(zhǔn)確度較高。在工況流量范圍內(nèi)存在臨界流量，一般為最大流量的10%，當(dāng)超聲流量計(jì)工作在臨界流量以下時(shí)，其計(jì)量準(zhǔn)確度降低[8]。因此，在不超過最大工況流量的條件下，不必增加計(jì)量支路。
4.2 噪聲干擾
超聲流量計(jì)可能受到附近超聲波噪聲源的不利影響。噪聲源包括可發(fā)出噪聲的閥門、流量調(diào)節(jié)閥和管道中的其他節(jié)流部件。WKC1站流量計(jì)下游裝有流量調(diào)節(jié)閥，因此在流量調(diào)節(jié)閥上游設(shè)計(jì)T字型彎頭以減弱噪音影響?？赏ㄟ^診斷軟件（CUI）檢查信噪比和各聲道的聲速是否在正常范圍內(nèi)，判定噪聲是否對(duì)超聲流量計(jì)構(gòu)成影響。
4.3 管道和氣流的清潔
超聲換能器表面的堆積物（壓縮機(jī)油、冷凝液、水合物、冰等）可能導(dǎo)致裝置不經(jīng)過流體傳送超聲波脈沖，引起所謂的超聲波路徑“脫落”，造成較大的計(jì)量誤差。氣流的清潔度對(duì)流量計(jì)的性能至關(guān)重要，在測(cè)量氣體流量時(shí)，氣流中分散的液體可能會(huì)減弱超聲波信號(hào)，并使流量計(jì)完全喪失工作能力。顆粒、鐵銹、水分均不會(huì)影響流量計(jì)的正常運(yùn)行，但一般要求液體含量不超過5%，否則管內(nèi)氣流將表現(xiàn)出兩相流的特征。當(dāng)污物沉積在管壁上，超聲波從“發(fā)射”到“接收”的聲程將變短，直接影響計(jì)量準(zhǔn)確性。因此必須每日檢驗(yàn)測(cè)量聲速與計(jì)算聲速的差，一旦超過0.2%，則采用大流量吹掃或拆卸探頭檢查清理。
4.4 小流量擾動(dòng)
小流量擾動(dòng)即超聲流量計(jì)未投用而在配套流量計(jì)算機(jī)上顯示的微小流量累計(jì)。誘發(fā)小流量擾動(dòng)的因素有：下游閥門有微小內(nèi)漏；上游閥門未關(guān)閉，未投用支路壓力隨上游匯管壓力變化，壓力變化引起該支路氣體壓縮或膨脹；外界溫度變化幅度大，較大的溫差引起未投用支路內(nèi)的靜止氣體壓縮或膨脹。
超聲流量計(jì)的小流量擾動(dòng)現(xiàn)象普遍存在，可在流量計(jì)算機(jī)中設(shè)置對(duì)應(yīng)的小流量切除值消除之，通常將在零流量下測(cè)得的某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的低數(shù)值氣體流速，作為小流量切除設(shè)定值。若在零流量下仍能測(cè)出較大的氣體流速，則可能是探頭堵塞嚴(yán)重，需清洗探頭。若不能立刻檢查探頭，可將小流量切除設(shè)定值調(diào)大；但在流程切換前必須檢查即將投用流程的小流量切除設(shè)定值是否調(diào)回正常值。
4.5 振動(dòng)
超聲流量計(jì)作為精密測(cè)量儀表，若長期在靠近振動(dòng)源或振動(dòng)環(huán)境中使用，其性能和壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響，必須使超聲流量計(jì)遠(yuǎn)離震動(dòng)或?qū)⒄駝?dòng)消除。例如，超聲流量計(jì)投用前需要加壓，此時(shí)緩慢開旁通支路進(jìn)行平壓，待上下游壓力平衡后再打開進(jìn)口截止閥。
4.6 聲道報(bào)警
發(fā)出聲道報(bào)警的原因有：探頭臟污或損壞；探頭與采集板之間信號(hào)傳輸不暢；采集板損壞。天然氣管道投產(chǎn)初期，管道內(nèi)水分和雜質(zhì)較多，氣溫低時(shí)探頭極易臟污，此時(shí)應(yīng)視報(bào)警嚴(yán)重程度及時(shí)清理超聲探頭或更換采集板。
4.7 備用斷電
超聲流量計(jì)長期不用時(shí)應(yīng)斷電，短期不用而管道內(nèi)壓力低于其工作壓力時(shí)，也應(yīng)斷電，以延長其使用壽命。
4.8 環(huán)境溫度
對(duì)超聲流量計(jì)提出了－25～55℃的使用環(huán)境溫度要求。另外，在某些特殊情況下（被測(cè)介質(zhì)與外界環(huán)境之間的溫差較大且測(cè)試流量較低），為預(yù)防外界環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果造成附加影響，建議對(duì)儀表及其上下游管段加裝遮雨防曬設(shè)施或采取必要的保溫措施。
綜上所述，超聲流量計(jì)工作原理簡單，安裝后無需現(xiàn)場(chǎng)操作，運(yùn)行穩(wěn)定，基本不需要維護(hù)。但這并不表示超聲流量計(jì)一旦投用即可以不聞不問，尤其在管道投產(chǎn)初期，計(jì)量專業(yè)人員需要掌握超聲流量計(jì)的測(cè)量原理和組成結(jié)構(gòu)，密切關(guān)注其運(yùn)行狀態(tài)，以發(fā)生故障的原因做出正確判斷，及時(shí)恰當(dāng)?shù)亟鉀Q問題，保證其正確使用和準(zhǔn)確計(jì)量
