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气体超声波流量计─天然气流量计量的发展趋势

气体超声波流量计─天然气流量计量的发展趋势

应用超声波原理测量流量始于1928年,进入实用阶段约在20世纪70年代,但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代,至今不到10年。由于气体 超声波流量计具有许多传统流量计(孔板、涡轮、涡街……等)无法相比的突出优点,在天然气流量计量领域中,它犹如

应用超声波原理测量流量始于1928年,而进入实用阶段约在20世纪70年代,但仍限于测量液体。用于测量气体流量约在90年代,至今不到10年。由于气 体超声波流量计

具有许多传统流量计(孔板、涡轮、涡街……等)无法相比的突出优点(见表1),在天然气流量计量领域中,它犹如一颗耀眼的新星,备受国内外 工程技术界的关注。2000年6月在巴西召开的“FOLMEKO2000第十届流量测量国际学术讨论会”上,重点讨论了超声波流量计,该方面的论文数占论 文总数的29.4%,接近1/3;而历届讨论最多的有关差压式的论文数仅占17.6%,不再成为热点。从发展趋势来看,由于超声波流量计具有精确度高、性 能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件等特点,在工程应用及国际贸易中,大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。目前,美国、英国、荷兰、德国、加拿大、俄 罗斯等10余个国家已批准它为天然气贸易输送系统的计量仪表。

据了解,我国也正对此进行技术谁,制定了标准。仅以我国四大世纪工程之一的西气东输工程为 例,经多次流量计量论证,已将气体超声波流量计作为流量计量的首选仪表。据估算,该项目一期工程对检测控制仪表的投资将达到100亿元左右。流量计量是整 个工程中重要的检测参数,初步估计,管道为DN150~1000的大中型天然气输配计量站约数百个,DN100以下的流量计量所需仪表将以万计,流量计量 投资约10亿元左右。这个巨大的市场对于仪表生产厂商来说,真是千载难逢!

表1 流量计的性能比较

项目

孔板

涡街

涡轮

超声波

精确度(%)

±1

±1

±1

±0.5

量程比

管径范围(mm)

50~800

50~300

10~500

75~1600

压损

很大

较小

较小

对涡流的敏感

很敏感

很敏感

较敏感

不敏感

对流速分布的敏感

很敏感

很敏感

较敏感

不敏感

测脉动流

不适合

不适合

不适合

适合

测双向流

不能

不能

不能

可以

测湿气体

不能

不能

不能

可以

清洗管路

不能

不能

不能

可以

二 原理

1.流速测量

目前用超声波法来测气体流量,时差法几乎是唯一的选择。

tab=L/(C Vmcosθ)

式中 C——声速

Vm——声道上的平均流速

θ——换能器安装的倾角(声道角度)

tab=L/(C-Vmcosθ)

再考虑cos?=X/L,两式相减化简可得

从式(1)可知,用时差法测流体的轴向速度与声速C无关,这就大大简化了测量电路。这个方法早为人们所知,但实际应用到测量气体流量当时还有困难。近几年 来由于集成电路的飞速发展,可以精确测量极其微小的时间差(达10-9~10-12s),才使其得以进入实用阶段。目前对时差的处理电路有PLL(锁向环 路)、TLL(时间锁定环路)及LEFM(波前沿时间差法)等。

2.流量测量

流量应为管道横截面积A乘以流过管道横截面的流体流速V,它与上述声道L上的平均流速Vm并不相等,可用系数K予以修正,K=Vm/V。系数K取决于流体的雷诺数Re,在管道内充分发展的紊流条件下

K=1.119-0.011×logRe (2)

当流速V变化10倍时,K值将变化1%,在进行精确测量时,必须用K对流量值进行动态修正。

当管道的直管段不够长时,管内的流速分布不能形成充分发展的紊流,这将降低许多流量仪表测量的精确度。而超声波流量计可采取多声道的办法(可采用8个换能 器、4个声道以测量整个截面的流速,如图(2)以减少受到的影响,帮仍可保持高达±0.5%~±1%的精确度。

三 特点

(1)适用于大口径管道测量,口径范围75~1200mm,最大口径可达1600mm;

(2)精确度一般优于±0.5%,重复性可达±0.1%;

(4)所需上下游直管段较短,上游为10D,下游为3D;

(5)无可动部件,使用安全、可靠;

(6)换能器轻巧,所占空间小,安装维护方便;

(7)无压损,为节能产品,可降低输气管道增压费用;

(8)可进行双向流量测量;

(9)不测质量流量;

(10)不受涡流及横截面流速分布变化的影响;

(11)可精确测量脉动流;

(12)不受温度、压力、气体组分变化的影响;

(13)不受沉淀物、湿气的影响;

(14)可在不断流、带压状态下更换换能器;

(15)具有自检、自诊断功能;

(16)管内无阻流件,可允许清洗球自由通过管道和流量计,清洗容易。