超声波流量计在煤层气流量计量中的应用

流量是煤层气生产集输中重要的参数之一。流量测量值的准确与否,将直接影响系统运行的稳定性和交接计量中双方的经济利益。目前国内生产的基于各种原理测量流量的流量计种类很多,如容积式流量计、涡街流量计、差压流量计、超声波流量计等。

流量是煤层气生产集输中重要的参数之一。流量测量值的准确与否,将直接影响系统运行的稳定性和交接计量中双方的经济利益。目前国内生产的基于各种原理测量流量的流量计种类很多,如容积式流量计、涡街流量计、差压流量计、超声波流量计等。其中,超声波流量计是随着集成电路技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。与其他类型的流量计相比,超声波流量计具有无压力损失、性价比高、测量范围宽(一般可达到20:1)等特点。传播速度差法超声波流量计的测量范围可达到300:1。因此,在大管径煤层气的计量中使用超声波流量计具有突出的优势。尤其在城市输气中,白天用气高峰和夜间用气低谷气流量差别悬殊,超声波流量计测量范围宽的特点能很好地适应这一点。

1 超声波流量计的测量原理

超声波流量计由超声波转换器将电能转换为超声波能量,以一定的方式发射并穿过被测流体,接收器接收到超声波信号,供显示积算仪显示和积算,实现流量的检测显示。超声波流量计的2个超声波换能器(又称超声波探头)分别安装在管道外壁两侧,以一定的倾角对称(见图la)或在同侧(见图1b)。 

 

图1 超声波流量计计量原理

超声波换能器通常采用锆钛酸铅陶制成,在电的激励下,换能器产生超声波以一定的入射角射入管壁,在管壁内以横波形式传播射入流体,并以纵波的形式在流体内传播,最后透过介质,穿过管壁被另一换能器所接收。在测量时2个传感器互为发射和接收探头,为保证2个方向传输的超声波处于相同的气体流速下,设计时使2个换能器同时向对方发射超声波。

按测量参数的不同,其测量原理可分为时差法、频差法和相位差法3种,仅介绍常用的前2种类型。以图la为例,传感器与管线法线的角度为θ1,δ为管道壁厚,D为管道公称直径。超声波脉冲信号的传播速度为c,流体速度为v,2个传感器(T1和T2)之间的连线与天然气流动方向的夹角为θ,则超声波速度在天然气流动方向上的分量vcosθ,与流体速度叠加后的合速度为c±vcosθ。即当超声波水平速度分量方向与流体流速方向一致时,两者的合速度为c+vcosθ,反之为c-vcosθ。

1.1 差法计量原理

当T1发射T2接收时,T1到T2的传输时间:

(1)

当T2发射T1接收时,T2到T1的传输时间为:

(2)

整理后得到: 

(3)

 则两个方向的频率差为:

(4)

从(4)式可见,测到频率差即可得到气体流速v,由此可计算出体积流量,即:

(5)

进而可得到天然气的日产量公式:

(6)

1.2 时差法计量原理

对(3)式整理得:

(7)

这样测到时间差t12和t21,两个时间参数,即可求得气体流速v,从而得出天然气日产量公式:

(8)

从(6)、(8)式可以看出,利用超声波流量计测得的天然气日产量Q与超声波脉冲信号速度无关。

2 性能特征

超声波流量计与孔板、涡轮、涡街等传统流量计相比,具有适应性强,操作方便等特点(见表1)。

 

3 影响超声波流量测量准确性的因素

影响超声波流量计准确性的因素很多,其主要因素有2个方面:仪表本身性能的影响;安装质量的影响。

3.1 流量计的选型

传播速度差法的测量原理是测量超声波传播途径上的平均流速,这一平均流速是否能正确反映流通截面上的流速对于测量的准确性是有影响的。因此,设计中应选用双声道或多声道流量计以改善单声道测量平均流速的不确定性。在实际使用中单声道流量计精度为±2.0%,可以满足过程控制的要求。多声道的流量计精度为±1.0%,可以满足贸易交接计量的要求。

超声波流量计的测量体有2种形式:外夹装式和自带测量管式。外夹装式超声波流量计使用方便灵活,特别适用于改造工程。然而现场应用的实际精度,常因工作疏忽、安装距离和流通面积测量等误差而下降。使用带测量管的超声波流量计降低了迎流流速分布的影响,减少了前后置直管长度的影响,消除了现场安装转换器位置的影响。在现场工艺条件允许的情况下推荐使用自带测量管的测量方式。

3.2 安装质量的影响

安装地点的选择必须保证转换器前的流体沿管轴平行流动,所以应保证转换器前有一定长度的直管段,所需直管段长度与流道上阻力件形式有关(见表2)。流量计两侧的工艺管道内壁要光滑,不应有堆焊;带测量管的超声波流量计安装时密封垫圈的内径应比流量计的内径大4~5mm,以防在法兰紧固后伸入管道内,造成有效流通面积减小,影响测量精度。夹装式超声波流量计可以安装管道支撑架以减小管道振动对测量精度的影响。流量计的接地线要可靠接地。电缆屏蔽层也要可靠接地,以防止外界的各类电磁干扰。

3.3 超声波流量计的调整和校验

准确的调整和校验对流量计的正常工作非常重要。包括对流量显示的二次仪表的电子线路进行调校;对转换器的安装进行调校使得发射转换器的声波信号经流体中的传播以后能正常地被接收转换器所接收。对于带测量管的超声波流量计,由于发射转换器和接收转换器的相对位置固定,因此其调校均相对较为简便,主要针对二次仪表的电子线路进行调校。

4 结语

气体超声流量计具有理论上无需进行流量标定、与检测介质无关等无可比拟的优点,现正逐渐走向实用化。

参考文献:
 
    [1]刘蔚,超声波流量计在管道煤气计量中的应用[J].工业计量,2000,(4):35-37
    [2]董浩然,超声波流量计的选型及应用[J].工业计量,2002,(2):49-50

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