摘要：分析了超声波流量计的应用现状及和技术特点，论述了FLOWSIC600超声波流量计的系统组成、运行模式，以及将该流量计用于大张坨地下储气库的改造方案。
关键词：天然气计量；天然气贸易结算；超声波流量计；超声波换能器
Application of Ultrasonic Flowmeter to Natural Gas Trade Settlement
HAO Chang-fu，HAN Jie
Abstract：The present application status and technical characteristics of ultrasonic flowmeter are analyzed. The system components and operation mode of FLOWSIC600 ultrasonic flowmeter as well as its application to reconstruction scheme of Dazhangtuo underground gas reservoir are described.
Key words：natural gas metering；natural gas trade settlement；ultrasonic flowmeter； ultrasonic transducer
1 国内外应用现状
国外超声波流量计开发起步较早，1928年德国人研制成功第一台超声波流量计，至今已有逾80年历史。由于技术不成熟，直到上世纪末，欧洲使用的流量计仍以涡轮流量计、罗茨流量计为主，如在荷兰涡轮流量计、罗茨流量计的使用量约占流量计总量的80%。在加拿大涡轮流量计的使用量约占流量计总量的90%，而美国则以孔板流量计为主，孔板流量计约占流量计总量的80%。从整体上看，在流量计使用上，20世纪70年代形成了孔板流量计使用高潮，20世纪80年代形成了涡轮流量计使用高潮，20世纪90年代中后期则掀起了超声波流量计热潮[1]。
我国超声波流量计起步较晚，只有近10年的使用历史。目前北京、大庆、新疆、四川、天津、河北、上海等地已逐步引进气体超声波流量计，主要有德国Elster-Instromet集团、德国Sick Maihak公司、美国Daniel公司等企业生产的产品。国内产品只有上海某公司生产的气体超声波流量计。天津燃气集团在20世纪70年代对源头贸易计量全部使用孔板流量计；在20世纪90年代将涡轮流量计用于贸易结算，源头计量仍以孔板流量计主；2000年开始在津沽罐站应用超声波流量计；目前贸易结算使用的超声波流量计主要有Sick Maihak公司、Elster-Instromet集团等企业生产的产品。
2 超声波流量计的特点
超声波流量计与孔板流量计、涡轮流量计等传统流量计相比，有如下特点：
① 适用于各种管径的高精度计量。管径最大可达1600mm，流量和管径越大，精度越高。100～1600mm管径的超声波流量计在较大流量下，相对差小于0.5%[2]。
② 测量范围宽[2]。量程比一般为1:(40～160)。如Sick Maihak公司生产的FLOWSIC600四声道超声波流量计可在超小流量(按流速为0.3m/s换算)和超高流量(流速可达65m/s，无环境噪声)下正常工作，保证测量精度。这有效地解决了用户投产初期和后期流量范围的矛盾。
③ 重复性好[2]。超声波流量计测量部件与气体不直接接触，对现场安装要求不高，因此计量重复性好。
④ 能实现双向计量。超声波流量计增加一套储存计数装置，就可以实现双向计量，适用于供气不平衡或用于调峰的供气管道。
⑤ 不受气体杂质影响[3]。涡轮流量计的叶轮、孔板流量计的孔板易受气体杂质的冲击而造成损坏，影响计量精度和正常使用。而超声波流量计基本不受杂质影响，尤其是FLOWSIC600四声道超声波流量计，传感器为全金属，抗腐蚀、抗高速气流冲击，测量性能稳定。
3 超声波流量计的应用
3.1 天津支路调压计量系统现状
大张坨地下储气库位于天津市大港区，是北京华油天然气有限责任公司与天津市燃气集团的贸易结算点。它由北京华油天然气有限责任公司出资兴建，是专门用来为京津地区储存天然气的地下储气库。其天津支路为津塘二线沿线、滨海新区、宁河县各类用户供应天然气。该调压计量系统始建于2003年，当年投入使用。工艺采用两路DN 100mm调压计量系统，先计量后调压，流量计选用比利时Instromet仪表公司生产的气体涡轮流量计。经过两年的运行，特别是2004年冬季出现供气紧张局面，天津支路调压计量系统出现了问题。①涡轮流量计出现故障，影响稳定供气。由于地下储气库储存的陕北天然气含有杂质颗粒，其中一台涡轮流量计在高压气流冲击下叶轮损坏，另一台送去检验，供气出现紧张状态。为此，储气库分公司在大张坨地下储气库天津支路安装了一台规格为DN 100mm的四声道超声波流量计应急使用。②接气压力过低，调压系统出现异常。储气库调压器前高压天然气运行压力一般为3～4MPa，用气高峰时段达到6MPa，而天津燃气集团接气管道设计压力仅为0.8MPa，造成调压器前后压力差最高达到5.2MPa。压力骤降造成调压系统结露、结霜，调压系统出现异常，影响安全供气。大张坨地下储气库采用向管道中注入甲醇的方法，防止管道设施结露、结霜。这种方法只能作为解决问题的临时措施，不能长期采用。
3.2 改造方案的选定和实施步骤
3.2.1改造方案的选定
从长远供气需求考虑，将调压后管道改造，运行压力调整为0.8～4.0MPa，运行环境温度为-20～40℃。考虑到涡轮流量计和孔板流量计属接触式计量，叶轮或孔板易受杂质损坏，而超声波流量计性能优越，可以弥补此类缺陷，故流量计选用Sick Maihak仪表有限公司生产的FLOWSIC600四声道超声波流量计，配备FC2000流量计算机。流量计规格为DN 250mm，流量适用范围为50～7000m3/h，介质温度适用范围为-30～180℃，压力适用范围为0～10MPa，测量精度等级为0.5级，重复性指标为0.2%。考虑到北京华油天然气有限责任公司与天津市燃气集团的管理需要，安装超声波流量计信息处理系统和计量信息远传系统。
3.2.2改造方案的实施步骤
① 将进站和出站阀门关闭并加盲板。
② 安装现场流量计。根据计量装置现状，将原过滤器后变径的管段、流量计本体、流量计专用前后管段拆除，从现状过滤器法兰后计算管段长度，在保证管段长度不小于公称直径的18倍(即4.5m)的前提下，安装新DN 250mm超声波流量计。
③ 安装超声波流量计信息处理系统。信息处理单元(SPU)通过RS485通信接口，经专用通信电缆将流量数据传到仪表控制室内新安装的超声波流量计计算机通信接口上，由超声波流量计算机完成流量补偿、修正计算，作为供需贸易结算的依据。
④ 安装计量信息远传系统。超声波流量计算机通过RS485输出流量数据至专用ADAM通信协议模块上，由ADAM模块将传送的流量数据通信协议转换为MODBUS标准通信协议，再通过通信电缆连接到原有向天津燃气集团调度中心传输数据的专用RTU内，由RTU系统向燃气集团调度中心发送动态运行计量数据。
⑤ 供气系统按规程恢复供气，并对计量系统进行调试。
4 超声波流量计系统组成及运行模式
4.1 FLOWSIC600系统组成
① 流量计的表体
流量计的表体是由用于安装超声波换能器的基座和用于安装管道的法兰组成。流量计表体使用铸钢件制成，它是承载精密仪器的重要部件，必须保证制造上的一致性，才能保证几何参数的可重复性，达到设计精度。采用整体化组装，把换能器和缆线放入封套内，避免由于焊接或高压产生的膨胀、扭曲变形、不圆整，保护换能器，使换能器在运输、安装中免遭破坏。
② 超声波换能器
换能器是超声波流量计的核心部件，是一种把电能转化为声能的装置。一般超声波换能器组件包括外壳、匹配层(即声窗)、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、接收器(由引出电缆、声电换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成)。FLOWSIC600的超声波换能器突破传统的匹配层结构设计，采用全金属设计，不使用任何匹配层。这种阻抗的匹配通过完全用钛制造声能变压器的特别设计来实现。该换能器设计促进了换能器小型化，使流量计的结构更紧凑；换能器接触流体的部件采用60°安装，实现传播时间的高精度测量；流量计可以在常压和10MPa的高压下用同一种类型的换能器操作，使用范围更广；与使用匹配层的超声波流量计相比更耐高温，可在200℃条件下使用；抗腐蚀，抗高速气流冲击；使用超声波频率高达200kHz，有效防止电子管等和流量调节阀门的噪声干扰；声道布置改变通常的反射式，采用同一截面内平行布置4个对射式声道，确保流量计不会因杂质黏着在管壁及管壁粗糙度变化造成超声波方向偏离，保证流量测量的真实性，能补偿涡流及不对称流对计量精度的影响。
③ 信息处理单元
信息处理单元(SPU)包括控制超声波换能器工作所需的所有电子和电气部件。它负责产生发射信号和接收返回信号，然后进行计算得到结果。信息处理单元有不同的接口与计算机或者标准的过程控制系统进行通信。采用新型大规模集成电路，使声道正、反向时差测量的准确度达到纳秒级，从而提高流量计量的准确度。气体超声波流量计配置现场显示表头，一个传感器出现故障时显示表头报警。可现场显示测量参数，并能在流量计算机出现故障情况下，保存流量数据并正常计量。
4.2 运行模式
① 测量模式
表示无故障，脉冲信号和开关信号以及电流输出信号都在运行过程中不断地周期性更新。
如果系统参数如声速的比率、信噪比等超出了设定的正常值，系统会发出警告信息。操作者可以根据警告信息及时采取措施防止系统故障的产生。
② 请求检查模式
该模式是在一路检测通道测量失败以及检测通道补偿被激活时，检测系统会自动补偿。补偿方法是通过系统的自检功能允许流量计滤除不正常的测量结果，使用剩下的有效测量通道的数据和自适应通道系数来计算平均局部流速，可以准确地判定气体流量。
③ 参数配置模式
该模式可用于改变系统的参数和对系统进行实验。当系统转入该模式时，尽管所得到的测量值和计算结果与测量模式下得到的一样，但此时系统的测量结果仍被认为无效。
④ 故障模式
当故障产生，系统不能准确测量时，系统转入该模式。在这种情况下，如果故障消除，系统将自动返回测量模式。
5 结论
① FLOWSIC600超声波流量计与反射式声道的超声波流量计比较，可以避免杂质或管壁粗糙度对计量准确度的影响，适用于地下储气库含杂质较多的供气工况。
② FLOWSIC600配置的传感器为全金属，抗腐蚀，抗高速气流冲击，使用中未发生流量计损坏现象，适用于地下储气库高压高流速天然气的工况。
③ 为超声波流量计配套的FC2000流量计算机对流量计的故障和报警信息反应及时，保证了计量系统测量精度的连续性和可靠性。
参考文献：
[1] 宋艾玲，梁光川.天然气计量现状及发展趋势[J].石油仪器，2006，(2)：6-8.
[2] 邓峪泉，黄勃淼.天然气超声波流量计的应用及检定[J].煤气与热力，2005，25(5)：44-46.
[3] 周伟国，胡海军，金颖.超声波流量计的应用与误差分析[J].煤气与热力，2001，21(4)：337-339.
(本文作者：郝长富 韩洁 天津市燃气集团有限公司 天津 300070)
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