气体超声波流量计气体超声波流量计培训材料培训材料2016年年5月月20日日超声波流量计简介工作条件安装、投运及维护保养工作原理结构形式及特点一、气体超声波流量计简介一、气体超声波流量计简介 气体超声波流量计的应用始于气体超声波流量计的应用始于2020世纪世纪9090年代，是继年代，是继孔板流量计、涡轮流量计之后第三类适用于高压、大口孔板流量计、涡轮流量计之后第三类适用于高压、大口径、高准确度的天然气流量计。径、高准确度的天然气流量计。是一种是一种利用超声束或超利用超声束或超声脉冲在流体中的传输特性（速度、相位）进行流量测声脉冲在流体中的传输特性（速度、相位）进行流量测量的量的速度式流量计速度式流量计。 超声波流量计适用于不易接触和观察的流体以及大超声波流量计适用于不易接触和观察的流体以及大管径流量的测量，广泛使用于：管径流量的测量，广泛使用于：长输管线长输管线集气系统集气系统海洋天然气海洋天然气压气站压气站气体处理工厂气体处理工厂高压管线高压管线输配管网输配管网u 应用场合应用场合二、超声波流量计结构形式及特点二、超声波流量计结构形式及特点u 结构结构 流量计包括一次仪表和二次仪表。流量计包括一次仪表和二次仪表。 一次仪表主要一次仪表主要由流量计表体、超由流量计表体、超声波换能器和信号声波换能器和信号处理单元组成；二处理单元组成；二次仪表包括压力变次仪表包括压力变送器、温度变送器送器、温度变送器和流量计算机。和流量计算机。图 2 超声波流量计结构示意图1、一次仪表一次仪表表体：表体：包括上下游直管段，是最基本的部件，用于安装包括上下游直管段，是最基本的部件，用于安装 换能器、信号处理单元等部件。换能器、信号处理单元等部件。换能器：将电能转换成超声波能量，发射到被测流体中，换能器：将电能转换成超声波能量，发射到被测流体中，接收器接收超声波信号并转换成电压信号输出。接收器接收超声波信号并转换成电压信号输出。 信号处理单元：信号处理单元：处理换能器传来的电压信号，计算工况体处理换能器传来的电压信号，计算工况体积流量，将信息传输至流量计算机。积流量，将信息传输至流量计算机。2、二次仪表二次仪表压力变送器：测量气体压力；压力变送器：测量气体压力；温度变送器：测量气体温度；温度变送器：测量气体温度；色谱分析仪：测量气体组分；色谱分析仪：测量气体组分；流量计算机：计算功能、显示功能、组态功能、报警功能、流量计算机：计算功能、显示功能、组态功能、报警功能、输出功能、通信功能。输出功能、通信功能。u 形式形式流量计按换能器安装方式可分为插入式和外夹式两种。流量计按换能器安装方式可分为插入式和外夹式两种。接触式流量计根据换能器数量不同，分为单声道流量计、接触式流量计根据换能器数量不同，分为单声道流量计、双声道流量计和多声道流量计。双声道流量计和多声道流量计。超声波流量计声道的布置方式分为对射式、反射式和平超声波流量计声道的布置方式分为对射式、反射式和平行式。行式。流量计的输出方式有脉冲输出、模拟量输出和数字通讯流量计的输出方式有脉冲输出、模拟量输出和数字通讯输出等。输出等。u 优缺点优缺点1、主要优点、主要优点工作原理简单；工作原理简单；重复性好，测量精度高，线性好；重复性好，测量精度高，线性好；量程比大，一般为量程比大，一般为1:20，甚至更高；，甚至更高；不受气体压力、温度或气体组分变化的影响；不受气体压力、温度或气体组分变化的影响；测量管径大，最大测量管径可达测量管径大，最大测量管径可达10m；无可动部件，无压力损失，坚固耐用。无可动部件，无压力损失，坚固耐用。2、主要缺点、主要缺点价格昂贵，只适用于大、中口径；价格昂贵，只适用于大、中口径；对上下游直管段长度有要求；对上下游直管段长度有要求；结构较为复杂，故障排除较困难，抗干扰性较差，对结构较为复杂，故障排除较困难，抗干扰性较差，对安装的要求十分严格。安装的要求十分严格。三、气体超声波流量计工作原理三、气体超声波流量计工作原理 超声波流量计以测量声波在流动超声波流量计以测量声波在流动介质中传播时间与流量的关系为原理，介质中传播时间与流量的关系为原理，由超声波转换器将电能转换为超声波由超声波转换器将电能转换为超声波能量，在管道内向逆流和顺流方向传能量，在管道内向逆流和顺流方向传播，其传播时间差与被测气体的轴向播，其传播时间差与被测气体的轴向平均流速有关，平均流速有关，通过测量传播时间差通过测量传播时间差就可以得出气体的流速，进而计算出就可以得出气体的流速，进而计算出流体的流量。再流体的流量。再将压力、温度以及气将压力、温度以及气体组分上传到流量计算机中进行修正，体组分上传到流量计算机中进行修正，即能得出标况下的气体流量。即能得出标况下的气体流量。图1 超声流量测量原理示意图V 按图按图1 1所示，顺流和逆流传播时间与各量之间的关系为：所示，顺流和逆流传播时间与各量之间的关系为： 式中：式中：t tu u- -超声波在流体中逆流传播的时间；超声波在流体中逆流传播的时间； t td d- -超声波在流体中顺流传播的时间；超声波在流体中顺流传播的时间； c-c-声波在静止流体中的传播速度；声波在静止流体中的传播速度； v-v-流体轴向流速；流体轴向流速； L-L-声道长度；声道长度； x-x-声道距离。声道距离。 流体流速的表达式：流体流速的表达式：图1 超声流量测量原理示意图u 流量计算流量计算 将测得的多个声道的流体利用数学的函数关系联合将测得的多个声道的流体利用数学的函数关系联合起来，得到管道平均流速：起来，得到管道平均流速：S SVavg= Wn Vnn=1n 式中：式中：V Vavgavg- -轴向平均流速；轴向平均流速； V Vn n- -每个声道测得的气体流速；每个声道测得的气体流速； W Wn n- -权重因子，取决于探头的分布情况。权重因子，取决于探头的分布情况。流量流量=流速流速*截面积截面积四、超声波流量计工作条件四、超声波流量计工作条件 根根据据GB/T 18604-2001用气体超声流量计测量天然气流用气体超声流量计测量天然气流量，流量计的工作条件为：量，流量计的工作条件为：1、天然气气质、天然气气质 流量计所测量的天然气组分应在流量计所测量的天然气组分应在GB17820和和GB/T17747所所规定的范围内，天然气真实相对密度为规定的范围内，天然气真实相对密度为0.55-0.80。 如出现下列任一情况，应向制造厂商提出相应的专门要求：如出现下列任一情况，应向制造厂商提出相应的专门要求： CO2含量超过含量超过10%； 在接近天然气混合物临界密度的条件下工作；在接近天然气混合物临界密度的条件下工作； 总含硫量超过总含硫量超过460mg/m3，包括硫醇、，包括硫醇、H2S和元素硫。和元素硫。 2、压力、压力 流量计的流量计的工作压力不低于工作压力不低于0.1MPa（表压）。同时超声换（表压）。同时超声换能器对气体的最小密度（是压力的函数）有一定的要求，最能器对气体的最小密度（是压力的函数）有一定的要求，最低工作压力应保证声脉冲在天然气中能正常传播。低工作压力应保证声脉冲在天然气中能正常传播。3、温度、温度 流量计的工作温度范围（包括介质温度和环境温度）为流量计的工作温度范围（包括介质温度和环境温度）为-2255。 4、流量范围及流动方向、流量范围及流动方向 流量计的流量测量范围由气体实际流速确定，被测天然气流量计的流量测量范围由气体实际流速确定，被测天然气的流速范围为的流速范围为0.330m/s。 流量计具有双向测量的能力，且双向测量准确度相同。流量计具有双向测量的能力，且双向测量准确度相同。五、超声波流量计的安装、投运及维护保养五、超声波流量计的安装、投运及维护保养u 安装安装 1、一般保证流量计表体水平安、一般保证流量计表体水平安装，换能器安装在水平管道上时，装，换能器安装在水平管道上时，为避开管道顶部的气隙和底部沉为避开管道顶部的气隙和底部沉积的泥沙，尽可能安装在与水平积的泥沙，尽可能安装在与水平面成面成45角的位置。角的位置。2、换能器不能安装在管道焊缝换能器不能安装在管道焊缝或法兰安装处。或法兰安装处。图 3 避开空气与泥沙3、紧邻流量计的上下游需安装一定长度的直管段，或在上游、紧邻流量计的上下游需安装一定长度的直管段，或在上游直管段规定位置安装流动调整器。上游最短直管段长度为直管段规定位置安装流动调整器。上游最短直管段长度为10DN，下游最短直管段长度为，下游最短直管段长度为5DN；双向流动时，上、下游；双向流动时，上、下游上下游直管段均应上下游直管段均应10DN。图 4 超声波流量计安装示意图4、上下游直管段内径与流量计内径之差小于流量计内径的、上下游直管段内径与流量计内径之差小于流量计内径的1%，其绝对值应小于，其绝对值应小于5mm。不得在连接部分出现台阶及突入的垫。不得在连接部分出现台阶及突入的垫片等扰动气流的障碍。片等扰动气流的障碍。5、与流量计匹配的直管段，其内壁应无锈蚀及其他机械损伤。、与流量计匹配的直管段，其内壁应无锈蚀及其他机械损伤。在组装之前，应去除流量计及其连接管内的防锈油或沙石灰尘在组装之前，应去除流量计及其连接管内的防锈油或沙石灰尘等附着物，使用中也应随时保持介质流通通道的干净、光滑。等附着物，使用中也应随时保持介质流通通道的干净、光滑。6、流量计的安装应尽可能避开振动环境，尤其是可引起信号、流量计的安装应尽可能避开振动环境，尤其是可引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。7、吹扫计量管路时，应将流量计拆除，以直通短管代替。、吹扫计量管路时，应将流量计拆除，以直通短管代替。u 投运投运1、流量计投入使用前，应按相应国家标准或规程进行检定或、流量计投入使用前，应按相应国家标准或规程进行检定或实流校准；实流校准；2、检查各仪表、超声波信号线和电源线连接是否连接完好，、检查各仪表、超声波信号线和电源线连接是否连接完好，传入控制室内压力、温度、流量信号是否正确。传入控制室内压力、温度、流量信号是否正确。3、打开进口旁通阀，给管道缓慢充气，然后再缓慢打开进口、打开进口旁通阀，给管道缓慢充气，然后再缓慢打开进口阀门，给管道缓慢加压，缓慢打开超声波流量计下游出口阀门。阀门，给管道缓慢加压，缓慢打开超声波流量计下游出口阀门。4、检查所有法兰连接处、引压接头、温度传感器的插入接头、检查所有法兰连接处、引压接头、温度传感器的插入接头处是否有气体泄露。处是否有气体泄露。5、 检查流量数值是否处于超声波流量计测量范围，并通过调检查流量数值是否处于超声波流量计测量范围，并通过调节流量调节阀门控制流量。节流量调节阀门控制流量。 注意：注意：1、超声波流量计投运中禁止对其进行突然泄压或提压操作。超声波流量计投运中禁止对其进行突然泄压或提压操作。2、流量计在启用前，按要求进行零流量测试（关闭流量计上、流量计在启用前，按要求进行零流量测试（关闭流量计上下游阀门，使通过流量计的气体流速为零，待管道内气体温度下游阀门，使通过流量计的气体流速为零，待管道内气体温度稳定后，读取零流速读数，要求零流速读数应稳定后，读取零流速读数，要求零流速读数应小于小于12mm/s）。）。1、防止换能器被水浸泡，定期清理探头上沉积的杂质、水防止换能器被水浸泡，定期清理探头上沉积的杂质、水垢等，保证超声探头清洁；垢等，保证超声探头清洁；2、定期检查换能器否松动，发射面是否紧密地贴在管壁上；、定期检查换能器否松动，发射面是否紧密地贴在管壁上；3、经常检查电源线和信号线有无破损、老化现象，保护好、经常检查电源线和信号线有无破损、老化现象，保护好电缆外面的橡胶护套；电缆外面的橡胶护套；4、流量计最高流速不能超、流量计最高流速不能超30m/s，允许，允许测量的最大流量为最测量的最大流量为最大量程大量程80%，不要过载运行；，不要过载运行；u 维护保养维护保养5、经常观察仪表显示收到信号的状况，若有异常及时寻、经常观察仪表显示收到信号的状况，若有异常及时寻找原因，解决问题；找原因，解决问题；6、定期检查信号处理单元、声道有无故障，零流量测量、定期检查信号处理单元、声道有无故障，零流量测量是否准确；是否准确；7、定期对流量计进行检定，检定周期一般不超过、定期对流量计进行检定，检定周期一般不超过2年。对年。对插入式流量计，如流量计具有自诊断功能，且能够保留报插入式流量计，如流量计具有自诊断功能，且能够保留报警记录，也可每警记录，也可每6年检定一次，并年检定一次，并每年每年在使用现场进行使在使用现场进行使用中检验。用中检验。敬请大家提供宝贵意见！敬请大家提供宝贵意见！Thank you!