隨著環(huán)保實(shí)業(yè)的發(fā)展，天然氣的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越被人們所重視。天然氣作為清潔能源，在世界一次能源結(jié)構(gòu)中的比重逐年上升。發(fā)達(dá)國(guó)家一般已達(dá)到30％～40％，而我國(guó)起步較晚，目前這一比例還不高。
我國(guó)是天然氣資源較豐富的國(guó)家之一，但天然氣的利用卻嚴(yán)重滯后，天然氣工業(yè)發(fā)展有著很大潛力，尤其是西氣東輸工程的建設(shè)，必將為我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)很環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)力。
（1）我國(guó)是天然氣計(jì)量的發(fā)展趨勢(shì)和主要方法 目前，天然氣貿(mào)易計(jì)量分為體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量三種。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量?jī)煞N方法都在使用。我國(guó)天然氣貿(mào)易計(jì)量是在法定要求的質(zhì)量指標(biāo)下以體積或能量的方法進(jìn)行交接計(jì)量，目前基本上以體積計(jì)量為主。
按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[10],天然氣的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量qn以Nm3/s為單位，工作狀態(tài)體積流量qf以m3/s為單位；質(zhì)量流量qm以kg/s為單位；能量流量以MJ/s為單位。
①天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量qn計(jì)算式為
qvn=qnf 3.38
或 qvn=qm/ n 3.39
式中 qvn――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)體積流量，Nm3/s；
qvf――工作狀態(tài)體積流量，m3/s，體積流量計(jì)實(shí)測(cè)值；
qm――質(zhì)量流量，kg/s，質(zhì)量流量計(jì)實(shí)測(cè)值；
ρf――工作狀態(tài)下的密度，kg/m3，實(shí)測(cè)或計(jì)算；
ρn――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度,kg/m3,實(shí)測(cè)或計(jì)算。
天然氣在工作狀態(tài)下的密度ρf若用天然氣氣流靜壓pf、熱力學(xué)溫度Tf和壓縮系數(shù)Zf進(jìn)行計(jì)算，其公式為
（3.40）
式中 Mm――天然氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T11062計(jì)算；
Ra――通用氣體常數(shù)，MJ/kmol·K,其值為0.000831448。
天然氣在工作狀態(tài)下的密度ρn的實(shí)用公式與式（3.40）相似，其中pf、Tf、Zf用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的 pn、Tn、Zn替代即可。
因此，天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量qn的計(jì)算式還可寫成
qm=qvf 3.41
式中 qvf――含義同式（3.38）；
pf――工作狀態(tài)壓力，MPa，壓力實(shí)測(cè)值；
Tf――工作狀態(tài)熱力學(xué)溫度，K，溫度實(shí)測(cè)值；
Zf――工作狀態(tài)下天然氣的壓縮系數(shù)，按SY/T6143標(biāo)準(zhǔn)A1.4條及公式（A8）計(jì)算（或按GB/T17747.1～3標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）；
Pn――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，Mpa，其值為0.101325；
Tn――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)溫度，K，其值為293.15；
Zn――標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的壓縮系數(shù)，按SY/T6143-1996標(biāo)準(zhǔn)公式（A8）計(jì)算或按GB/T17747.1～3標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）。
②天然氣質(zhì)量流量計(jì)算。天然氣的質(zhì)量流量計(jì)算式為
qm＝qvfрf 3.42
式中 qm――天然氣的質(zhì)量流量，kg/s，除由式（3.42）計(jì)算外，也可由質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量；
qvf――含義同式（3.38）；
рf――含義同式（3.38）。
工作狀態(tài)下的天然氣密度рf可用氣體密度計(jì)在線進(jìn)行天然氣氣流密度的實(shí)測(cè)，用實(shí)測(cè)值參與流量計(jì)算。如果用式（3.40）計(jì)算рf值，應(yīng)有工作狀態(tài)下的靜壓pf，熱力學(xué)溫度Tf和天然氣組分分析數(shù)據(jù)yi（組分摩爾分?jǐn)?shù)），按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算天然氣的摩爾質(zhì)量Mm和壓縮系數(shù)Zf，zui后才能計(jì)算出рf的值來(lái)。
③天然氣能量流量計(jì)算。天然氣的能量流量可以由標(biāo)準(zhǔn)體積流量或質(zhì)量流量乘以發(fā)熱量Hs來(lái)計(jì)算。
以標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算能量流量的計(jì)算式為
En=qvnHsnv 3.43
式中 En――天然氣的能量流量，MJ/s；
qvn――天然氣的標(biāo)準(zhǔn)體積流量，由式（3.38）或式（3.41）所得結(jié)果；
Hsnv――單位標(biāo)準(zhǔn)體積的高位發(fā)熱量，MJ/m3，實(shí)測(cè)或計(jì)算。
以質(zhì)量流量計(jì)算能量流量的計(jì)算式為
En=qmHsnm 3.44
式中 En――含義同式（3.43）；
qm――天然氣的質(zhì)量流量，由式（3.42）所得結(jié)果；
Hsnm――單位質(zhì)量的高位發(fā)熱量，MJ/s，實(shí)測(cè)或計(jì)算。
④發(fā)熱量測(cè)量。天然氣發(fā)熱量可采用直接或間接的測(cè)量方法獲得。對(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)使用直接測(cè)量不經(jīng)濟(jì)時(shí)，其結(jié)算用的發(fā)熱量也可以用計(jì)算方法獲得。兩種方法都有在線和離線兩種方式。
a.直接測(cè)量法。直接測(cè)量法可按GB12206標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。是采用水流式熱量計(jì)，由水流量穩(wěn)定調(diào)節(jié)、天然氣流量穩(wěn)定調(diào)節(jié)和測(cè)量、水溫氣溫測(cè)量、氣體燃燒和水計(jì)量五部分組成。儀器的具體操作方法修正系數(shù)計(jì)算請(qǐng)參閱GB12206－1998《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》。
b.間接測(cè)量法。間接測(cè)量法是采用GB/T11062標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法測(cè)量天然氣的發(fā)熱量，它是基于對(duì)天然氣組分進(jìn)行全分析，然后進(jìn)行計(jì)算，各組分含量同各自發(fā)熱量的乘機(jī)之代數(shù)和即為天然氣的發(fā)熱量。組分分析一般采用氣相色譜法，具體操作方法請(qǐng)參閱GB/T13610－1992《天然氣的組成分析——氣相色譜法》。
⑤ 密度測(cè)量。天然氣密度可以用天然氣密度計(jì)在線直接測(cè)量，也可離線間接測(cè)量。
a.在線密度測(cè)量。在線密度測(cè)量是為了求得流過(guò)流量計(jì)的天然氣質(zhì)量流量。如果要求得到天然氣的標(biāo)準(zhǔn)體積流量，還需得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣密度。
對(duì)于孔板流量計(jì)而言，若在密度計(jì)的樣氣從上游取壓孔取出，樣氣流入在線密度計(jì)，它應(yīng)以特別低的流速流入，并保證對(duì)壓力和差壓的測(cè)量沒(méi)有影響。
除旋轉(zhuǎn)式容積流量計(jì)以外的其他流量計(jì)，在線密度計(jì)宜安裝在流量計(jì)下游，以避免流量計(jì)入口速度分布被干擾。
從取樣口到在線密度計(jì)之間的連接管線應(yīng)盡量短、連接件、管線應(yīng)絕熱保溫，以減小環(huán)境溫度對(duì)取樣氣的影響。
為確保在線密度計(jì)所測(cè)密度值與流經(jīng)流量計(jì)的密度值相同，應(yīng)將密度傳感器的露出部分和流量計(jì)的上、下游適當(dāng)長(zhǎng)度的管路進(jìn)行隔熱。
在線密度計(jì)應(yīng)有樣氣溫度測(cè)量，當(dāng)樣氣溫度同主管道中天然氣溫度有差異時(shí)，應(yīng)該用修正值進(jìn)行補(bǔ)償。
b.離線密度計(jì)算。在計(jì)量站取樣口取出有代表性的樣氣，采用氣相色譜儀分析出天然氣的全組分分析數(shù)據(jù)，測(cè)量出主管道內(nèi)天然氣靜壓力和流體溫度，然后按式（3.40）計(jì)算工作狀態(tài)下的流體密度。其中摩爾質(zhì)量Mm按標(biāo)準(zhǔn)GB/T11602計(jì)算得到；工作狀態(tài)下壓縮系數(shù)Zf按標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143－1996A1.4條及公式（A8）計(jì)算。
⑥幾種天然氣常用流量計(jì)選型指南。不同的準(zhǔn)確度要求和不同的使用條件，天然氣流量測(cè)量可有多種儀表可選，應(yīng)綜合考慮其準(zhǔn)確性、可靠性、安全性及經(jīng)濟(jì)性等因素后確定，過(guò)分追求高準(zhǔn)確度會(huì)增加不合理的費(fèi)用。表3.5所列是幾種天然氣常用流量計(jì)選型指南。
表3.5天然氣常用流量計(jì)選型指南
| 應(yīng)用因素 | 旋轉(zhuǎn)式容積流量計(jì) | 渦輪流量計(jì) | 渦街流量計(jì) | 超聲流量計(jì) | 孔板流量計(jì) |
| 操作條件下的氣體密度 | 危險(xiǎn)增大 | zui小流量隨密度增加而變得更低 | zui小流量隨密度增加而變得更低 | 在規(guī)定密度范圍內(nèi)不受影響 | 決定測(cè)量結(jié)果 |
| 氣中夾帶固體 | 可能堵塞葉輪，需要過(guò)濾器 | 可能有沉積物，葉片可能受損可能影響旋轉(zhuǎn),需要過(guò)濾器 | 可能有沉積物，非流線體可能受侵蝕，需要過(guò)濾器 | 一般不受影響，如果傳感器孔被污垢堵塞，流量計(jì)功能會(huì)受到影響，建議增加過(guò)濾器 | 可能有侵蝕和沉積物，需要過(guò)濾器 |
| 氣中夾帶液體 | 可能有腐蝕。結(jié)垢、結(jié)構(gòu)材料會(huì)受影響 | 可能有腐蝕，結(jié)垢，潤(rùn)滑油被稀釋，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡 | 測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)可能有液體沉積物，這會(huì)影響計(jì)量值 | 可能變壞的信噪比會(huì)影響功能，如果傳感器孔受阻，流量計(jì)功能會(huì)受影響 | 由流量計(jì)腐蝕引起的磨損會(huì)造成流量誤差，孔板端面和孔板取壓孔內(nèi)有沉積物會(huì)影響準(zhǔn)確度 |
| 壓力和流量變化 | 突然變化會(huì)造成損壞。因?yàn)槿~輪的慣性，流量的突變會(huì)致使上游或下游管道內(nèi)壓力時(shí)高時(shí)低 | 壓力突變可能造成損壞 | 不會(huì)造成損壞，但可能造成計(jì)量誤差 | 壓力突變會(huì)造成*損壞 | 壓力突變會(huì)造成損壞 |
| 脈動(dòng)流 | 不受影響 | 流量快速的周期變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果過(guò)高，影響取決于測(cè)量變化的頻率和幅度，氣體的密度和葉輪的慣性 | 準(zhǔn)確度受影響。影響的程度取決于流量變化的頻率和幅度 | 只要脈動(dòng)的周期大于流量計(jì)的采樣周期，就不會(huì)受影響 | 準(zhǔn)確度取決于儀表響應(yīng)速度。準(zhǔn)確度要受影響 |
| 允許誤差范圍內(nèi)典型的量程比 | 30∶1 | 30∶1，密度越高，流量比越大 | 30∶1 | 30∶1 | 10∶1，如果采用雙量程差壓計(jì) |
| 過(guò)載流動(dòng) | 可短時(shí)間過(guò)載 | 可短時(shí)間過(guò)載 | 可過(guò)載 | 可過(guò)載 | 可過(guò)載至孔板上的允許壓差 |
| 增大公稱設(shè)計(jì)能力 | 增大zui大流量需要加大流量計(jì)，或增加氣路，或提高壓力 | 增大zui大流量需要加大孔板流量計(jì)內(nèi)徑，或增加氣路，或提高壓力 |
| 供氣安全性 | 流量計(jì)故障可能中斷供氣 | 流量計(jì)故障不造成影響 |
| 流量計(jì)及其管道所需配管設(shè)置要求 | 對(duì)上下游管道無(wú)特殊要求，遵照制造廠的說(shuō)明，為保證連續(xù)供氣需加旁通 | 上下游需直管段長(zhǎng)度，長(zhǎng)度根據(jù)適用標(biāo)準(zhǔn)的安裝說(shuō)明而定 | 根據(jù)GB/T18604，上下游需直管段長(zhǎng)度 | 依據(jù)SY/T6143，上下游需直管段長(zhǎng)度 |
| 典型直管長(zhǎng)度： 上游 下游 | 4D 2D | 5D 2D | 20D 5D | （依據(jù)配置） 10D 3D | （依據(jù)配置） 30D 7D |
| | | | | | | | | |
注：1.流量計(jì)zui初用的型號(hào)過(guò)大會(huì)影響小流量的測(cè)量準(zhǔn)確度。
2.D為流量計(jì)內(nèi)徑。
（2）標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓式流量計(jì)方法 標(biāo)準(zhǔn)孔板差壓式流量計(jì)已經(jīng)成為*zui主要的天然氣流量計(jì)，目前在國(guó)外約占60％，在國(guó)內(nèi)占90％。幾十年來(lái)AGA Report No.8總結(jié)了幾十項(xiàng)針對(duì)天然氣計(jì)量的專項(xiàng)研究和實(shí)踐應(yīng)用，在量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，其標(biāo)志就是標(biāo)準(zhǔn)化，即使用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，可以無(wú)須實(shí)流校準(zhǔn)而確定信號(hào)（差壓）與流量的關(guān)系，并估算其測(cè)量誤差，目前在全部流量計(jì)中是惟一達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)的。為了消除自身存在的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)、重復(fù)性不高、范圍度窄、壓損大等重大缺點(diǎn)，采用了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、定值節(jié)流件和標(biāo)準(zhǔn)噴嘴等技術(shù)裝置，使其技術(shù)水平有了進(jìn)一步提高。
① 流量計(jì)計(jì)算方法。用來(lái)測(cè)量天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，就其結(jié)構(gòu)和基本計(jì)算公式來(lái)說(shuō)，同測(cè)量一般氣體的孔板流量計(jì)并無(wú)二致，有差異的僅僅是計(jì)算基本公式中的關(guān)鍵變量工作狀態(tài)下流體密度ρ時(shí)，針對(duì)天然氣的特性有一些的方法。AGA Report No.3 1990~1992年第3版《天然氣流體計(jì)量同心直角邊孔板流量計(jì)》提供了實(shí)用方法。1992年11樂(lè)美國(guó)煤氣協(xié)會(huì)出版了AGA Peport No.8《天然氣及其他烴類氣體的壓縮因子》（第2版），提供了確定壓縮因子的詳細(xì)方法。我國(guó)在GB/T2624－1993的基礎(chǔ)上，參考了這兩個(gè)報(bào)告制訂了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143-1996《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法》。
GB/T2624-1993中給出的質(zhì)量流量同差壓的關(guān)系如式（3.1）所示，由于標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法中規(guī)定，采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積流量qvn計(jì)量天然氣，其計(jì)算式為
qvn= 3.45
式中 n——天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m3。
將式（3.45）整理后代入式（3.1）得出標(biāo)準(zhǔn)體積流量qvn計(jì)算的基本公式為
qvn= 3.46
式中 ρ1——天然氣在流動(dòng)狀態(tài)下上游取壓口處的密度，kg/m3。
根據(jù)[10]
（3.47）
（3.48）
式中 Gr——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣真實(shí)相對(duì)密度；
Za——干空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；
Zn——天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；
Ma——干空氣的相對(duì)分子質(zhì)量；
R——通用氣體常數(shù)。
聯(lián)解式（3.46）、式（3.47）和式（3.48），整理得到天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量計(jì)算的實(shí)用公式：
qvn=AsCEd2FG 3.49
式中 qvn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；
As——秒計(jì)量系數(shù)，視計(jì)量單位而定，此式As=3.1794 10-6；
C——流出系數(shù)；
E——漸進(jìn)速度系數(shù)，E=1/ ；
d——孔板開(kāi)孔直徑，mm；
FG——相對(duì)密度系數(shù)；
1——可膨脹性系數(shù)；
FZ——超壓縮因子；
FT——流動(dòng)溫度系數(shù)；
P1——孔板上游取壓口流體靜壓Mpa；
p——氣體流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，Pa；
② 系數(shù)參數(shù)確定
a. 相對(duì)密度系數(shù)FG。該系數(shù)是在天然氣流量實(shí)用方程推導(dǎo)過(guò)程中定義的一個(gè)系數(shù)，其值按下式計(jì)算：
FG＝ （3.50）
其實(shí)相對(duì)密度Gr按SY /T6143A1.4確定。
b.天然氣超壓縮因子FZ。天然氣超壓縮因子是因天然氣特性偏離理想氣體定律而導(dǎo)出的修正系數(shù)，其定義式為
FZ= （3.51）
式中 Zn——天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子；
Zf——天然氣在流動(dòng)狀態(tài)下的壓縮因子。
FZ值按SY/T6143A1.4確定。
c.流動(dòng)溫度系數(shù)FT。流動(dòng)溫度系數(shù)FT是因天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，氣流的平均熱力學(xué)溫度T偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)溫度（293.15K）而導(dǎo)出的修正系數(shù)，其值按下式計(jì)算：
FT＝ （3.52）
式中 T＝t+273.15；
t——為天然氣流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)實(shí)測(cè)的氣流溫度，℃。
③ 天然氣流量計(jì)算實(shí)例（孔板開(kāi)孔直徑設(shè)計(jì)計(jì)算）詳見(jiàn)本章3.8節(jié)。
（3）氣體渦輪流量計(jì)方法 氣體渦輪流量計(jì)是僅次于孔板流量計(jì)的被廣泛用于天然氣流量測(cè)量的儀表，在美國(guó)、歐洲等地區(qū)已廣泛使用。荷蘭在天然氣管道上采用2600多臺(tái)各種尺寸、壓力從0.8～6.5Mpa的氣體渦輪流量計(jì)，其試驗(yàn)研究成果已列入標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中。
氣體渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便；外形尺寸相對(duì)較小；度高‘重復(fù)性好；范圍度寬可達(dá)到15∶1～25∶1，在高壓輸氣的情況下，范圍度還可增大；其輸出為脈沖頻率信號(hào)，因此在同可編程流量顯示表配用時(shí)，容易得到較低的系統(tǒng)不確定度。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有不少儀表廠生產(chǎn)這種儀表，并在油氣田推廣應(yīng)用。
其不足之處是渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承與軸之間機(jī)械摩擦，壽命不很長(zhǎng)，因此應(yīng)注意潤(rùn)滑，可利用制造廠所提供的潤(rùn)滑手段，定期補(bǔ)給潤(rùn)滑油。
另外，高速流動(dòng)的氣體中如果含有較大的固體顆粒，很容易將渦輪葉片打壞，因此，渦輪流量計(jì)前的管道上應(yīng)加裝過(guò)濾器。
儀表投運(yùn)步驟：如果計(jì)量回路裝有旁通閥，應(yīng)先開(kāi)足旁通閥，然后開(kāi)足上游切斷閥，在緩慢開(kāi)啟下游切斷閥，zui后緩慢關(guān)閉旁通閥；如果計(jì)量回路沒(méi)有安裝旁通閥，則應(yīng)先開(kāi)足上游切斷閥，然后緩慢開(kāi)啟下游切斷閥，防止渦輪受高速氣流沖擊而損壞。
（4）氣體超聲流量計(jì)方法 用聲學(xué)測(cè)量技術(shù)測(cè)量流體流量已有約40年的歷史，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和*的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，用氣體超聲流量計(jì)策聯(lián)國(guó)天然氣流量的技術(shù)取得了突破性發(fā)展。由于具有高技術(shù)的氣體超聲流量計(jì)具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量準(zhǔn)確度高、無(wú)壓損及可動(dòng)部件、安裝使用費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，它以被歐美等國(guó)幾百家用戶用于天然氣貿(mào)易計(jì)量。至今已有美國(guó)、荷蘭、英國(guó)、德國(guó)等12個(gè)國(guó)家的政府批準(zhǔn)氣體超聲流量計(jì)作為法定計(jì)量器具。美國(guó)煤氣協(xié)會(huì)已于1998年6月發(fā)布了AGA Re-port No.9《用多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。我國(guó)主要參考了該報(bào)告，并參考了ISO/TR 12765《用時(shí)間傳播法超聲流量計(jì)測(cè)量封閉管道內(nèi)的流體流量》，制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)GB/T18604－2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。
① 基本原理。用來(lái)測(cè)量天然氣流量的超聲流量計(jì)一般是自帶測(cè)量管段的由*等構(gòu)成的時(shí)差法流量計(jì)量器具，換能器一般沿管壁安裝，且直接同流體接觸，由一個(gè)換能器發(fā)射的超聲波脈沖被另一個(gè)換能器所接收，反之亦然。圖3.22所示為Txl和Tx2兩個(gè)換能器的簡(jiǎn)化幾何關(guān)系，聲道與管道線間的夾角為， ，管徑為D。某些儀表中采用了反射聲道，此時(shí)聲波脈沖在管壁上經(jīng)一次或多次反射。
圖3.22氣體超聲流量測(cè)量的簡(jiǎn)化幾何關(guān)系
超聲脈沖穿過(guò)管道如同渡船河流。如果沒(méi)有流動(dòng)，聲波將以相同速度向兩個(gè)方向傳播，當(dāng)管道中的氣體流速不為零時(shí)，沿氣流方向順流傳播的脈沖將加快速度，而逆流傳播的脈沖速度緩慢。因此,相對(duì)于沒(méi)有氣流的情況，順流傳播的時(shí)間tD將縮短，逆流傳播的時(shí)間tU會(huì)增長(zhǎng)，根據(jù)這兩個(gè)傳播時(shí)間，就可以計(jì)算測(cè)得流速。這就是時(shí)差法超聲流量的基本原理。
在圖3.22中，有下面的關(guān)系式成立，即
tD= 3.53
tU= 3.54
將式（3.53）和式（3.54）聯(lián)立并解之得
vm= 3.55
式中 L——超聲在換能器之間傳播路徑長(zhǎng)度，m；
X——聲道長(zhǎng)度在管軸線的平行線上的投影長(zhǎng)度，m；
tD、tU——超聲順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間，s；
c——超聲在靜止流體中的傳播速度，m/s；
vm——流體通過(guò)換能器之間聲道上平均流速，m/s；
其實(shí)，式（3.55）計(jì)算得到的流速還只是沿聲道方向流體速度的平均值。而用戶想知道的是管道橫截面上的平均流速v，由vm計(jì)算v一般引入一個(gè)速度分布校準(zhǔn)系數(shù)kc，即
v=kcvm
式中 v——管道橫截面上的平均流速；
kc——流速分布校準(zhǔn)系數(shù)；
vm——含義同式（3.55）
kc的數(shù)值主要取決于流體的雷諾數(shù)。如果聲道在通過(guò)管道軸線的平面內(nèi)，則由下式給出kc的一個(gè)近似值[11]，即
kc 3.57
對(duì)于充分發(fā)展的紊流，如果聲道不在通過(guò)管道軸線的平面內(nèi)（即傾斜的弦線），則kc系數(shù)及它與雷諾數(shù)的關(guān)系都將不同。在多聲道流量計(jì)中，這種情況是常見(jiàn)的，因?yàn)閾Q能器有多種布置形式，聲道可以相互平行，也可能是其他取向。流量計(jì)可以沿兩個(gè)或多個(gè)傾斜弦線直接傳播聲波和經(jīng)反射傳播聲波。用于將各個(gè)聲道的測(cè)量值合成為平均流速的方法也隨流量計(jì)的特定結(jié)構(gòu)而變化。
②流量測(cè)量準(zhǔn)確度
a.氣體超聲流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度受下列諸因素的影響：流量計(jì)殼體幾何尺寸和超聲傳感器位置的參數(shù)的準(zhǔn)確性；流量計(jì)所采用的積分計(jì)算；速度分布剖面的質(zhì)量、氣流的脈動(dòng)程度和氣體的均勻性；傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度。傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度又取決于電子時(shí)鐘的穩(wěn)定性、對(duì)聲脈沖波參考位置檢測(cè)的一致性及對(duì)電子元件和傳感器信號(hào)滯后的適當(dāng)補(bǔ)償。
對(duì)于每一尺寸結(jié)構(gòu)的氣體超聲流量計(jì)，制造廠家應(yīng)規(guī)定流量界限值，即zui小流量qmin、轉(zhuǎn)換點(diǎn)流量qt和zui大流量qmax，而且在不同的流量區(qū)間進(jìn)行任何校準(zhǔn)系數(shù)調(diào)整之前，測(cè)量性能應(yīng)滿足下列要求。
重復(fù)性： 0.2％ qt≤q≤qmax q為被測(cè)流量，下同。
0.4％ qmin≤q≤qt
分辨率：0.001m/s
速率采樣間隔：≤1s
zui大峰間誤差（見(jiàn)圖3.23）：0.7％，qt≤q≤qmax
零流量讀數(shù)（對(duì)于每一聲道）：<12mm/s
氣體超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確度不僅同流速有關(guān)，而且同儀表口徑有關(guān)。對(duì)于小口徑儀表，由于聲道長(zhǎng)度較短，在紊流氣體中測(cè)量聲波傳播時(shí)間比較困難，因此小口徑氣體超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確度較難提高。
b.大口徑流量計(jì)的準(zhǔn)確度。在進(jìn)行任何校準(zhǔn)系數(shù)調(diào)整之前,口徑等于或大于300mm的多聲道氣體超聲流量計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足下列測(cè)量準(zhǔn)確度要求（見(jiàn)圖3.23）。
zui大誤差： 0.7％ qt≤q≤qmax
1.4％ qmin≤q≤qt
c.小口徑流量計(jì)的準(zhǔn)確度。在進(jìn)行任何校準(zhǔn)系數(shù)調(diào)整之前，口徑小于300mm的多聲道氣體超聲流量計(jì)應(yīng)滿足下列測(cè)量準(zhǔn)確度要求（見(jiàn)圖3.23）。
圖3.23多聲道氣體超聲流量計(jì)測(cè)量性能要求匯總
zui大誤差： 1.0％ qt≤q≤qmax
1.4％ qmin≤q≤qt
d.雙向測(cè)量的準(zhǔn)確度。氣體超聲流量計(jì)具有雙向測(cè)量能力，而且雙向測(cè)量的準(zhǔn)確度相同。
③ 儀表的使用
a.適用范圍。氣體超聲流量計(jì)適用于DN≥100mm、p≥0.3MPa（表壓）的生產(chǎn)裝置、輸氣管線、儲(chǔ)藏設(shè)施、配氣系統(tǒng)和大用戶終端計(jì)量站中的天然氣計(jì)量。
b.天然氣氣質(zhì)要求。流量計(jì)所測(cè)量的天然氣組分一般應(yīng)在GB/T17747和GB17820所規(guī)定的范圍內(nèi)；天然氣的真實(shí)相對(duì)密度為0.55～0.8。
在可衰減聲波的CO2含量超過(guò)10％，或在接近天然氣混合物臨界密度的條件下工作，或總含硫超過(guò)460mg/m3（包括硫醇、H2S和元素硫）的情況下，用戶應(yīng)向制造廠提出相應(yīng)的專門要求。
c.測(cè)量管內(nèi)附著物的處理。正常輸氣工況下在流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)的附著物（如凝析液或帶有加工雜質(zhì)的油品殘留物、灰和砂等）會(huì)減少流量計(jì)的流通面積，影響計(jì)量準(zhǔn)確度。同時(shí)附著物還會(huì)阻礙或衰減超聲傳感器發(fā)射和接收超聲信號(hào)，或者影響超聲信號(hào)在流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)壁的發(fā)射，因此流量計(jì)測(cè)量管應(yīng)定期檢查、清洗。
④ 儀表的安裝
a.避開(kāi)振動(dòng)環(huán)境。氣體超聲流量計(jì)的安裝應(yīng)盡可能避開(kāi)振動(dòng)環(huán)境，特別要避開(kāi)可能引起信號(hào)處理單元、*等部件發(fā)生共振的環(huán)境。
b.避免聲學(xué)噪聲干擾。來(lái)自被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的噪聲可能會(huì)對(duì)氣體超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)不利影響。在設(shè)計(jì)及安裝過(guò)程中應(yīng)讓氣體超聲流量計(jì)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源或采取措施消除噪聲干擾。
c.氣體過(guò)濾。在氣質(zhì)較臟的場(chǎng)合，可在流量計(jì)的上游安裝效果良好的氣體過(guò)濾器。過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)能夠保證在zui大流量下產(chǎn)生盡可能小的壓力損失和流態(tài)改變。在使用過(guò)程中，應(yīng)監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的差壓，定期進(jìn)行污物排放和清洗，確保過(guò)濾器在良好的狀態(tài)下工作。
d.雙向應(yīng)用的配管。如果所使用的氣體超聲流量計(jì)具有雙向流測(cè)量功能，并且也準(zhǔn)備將其應(yīng)用于這種測(cè)量場(chǎng)合，那么在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，流量計(jì)的兩端都應(yīng)視為上游，即下游的管道配置形式及相關(guān)技術(shù)要求應(yīng)與上游一致，并符合直管段等要求。
⑤ 組態(tài)和維護(hù)軟件。流量計(jì)應(yīng)具有對(duì)信號(hào)處理單元（轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行就地和遙控組態(tài)及監(jiān)控流量計(jì)運(yùn)行的能力，該軟件至少應(yīng)當(dāng)顯示和記錄下列數(shù)據(jù)：瞬時(shí)流量？軸向平均流速、平均聲速、沿每一聲道的聲速和每一*所接受的聲波信號(hào)的質(zhì)量。
⑥ 報(bào)警功能。流量計(jì)應(yīng)能以失效安全型、干繼電器接點(diǎn)或與地隔離的無(wú)源固態(tài)開(kāi)關(guān)的形式提供下述報(bào)警狀態(tài)輸出，以便及時(shí)采取應(yīng)急措施。
a. 輸出失效：當(dāng)在管輸條件下指示的流量無(wú)效時(shí)。
b. 故障狀態(tài)：當(dāng)若干個(gè)監(jiān)視參數(shù)中的任一個(gè)在相當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)間內(nèi)超出了正常工作范圍。
c.部分失效：當(dāng)多路聲道的一個(gè)或多個(gè)無(wú)法使用時(shí)。
⑦ 零流量檢驗(yàn)測(cè)試。每臺(tái)流量計(jì)都應(yīng)進(jìn)行零流量檢驗(yàn)測(cè)試，并遵循以下步驟，
a.在流量計(jì)兩端裝上盲板后，用抽吸或置換的方法將流量測(cè)量管內(nèi)的所有空氣排出，壓進(jìn)聲速已知的純氣體（通常為氮?dú)猓┗蚧旌蠚怏w，在這個(gè)測(cè)量腔內(nèi)保持零流量。
b.從測(cè)試開(kāi)始，氣體的壓力和溫度應(yīng)保持穩(wěn)定。在零流量時(shí)，信號(hào)的順流傳播時(shí)間tD和逆流傳播時(shí)間tU應(yīng)是相等的，即
tD＝tU= （3.58）
⑧ 實(shí)流校準(zhǔn)
a. 校準(zhǔn)應(yīng)測(cè)試下列流量點(diǎn)：qmin、0.10qmax、0.25qmax、0.40qmax、0.70qmax和qmax。
b. 實(shí)流校準(zhǔn)應(yīng)在用戶平均操作條件的氣體溫度、壓力和密度下進(jìn)行。校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度對(duì)測(cè)試結(jié)果不確定度的合成。
c. 在實(shí)流校準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，每個(gè)流量點(diǎn)至少測(cè)試3次，每次數(shù)據(jù)采集時(shí)間不得小于100s，一般為200s，并取3次平均值，在流量下限部分，測(cè)試可增加到5～10次。
d. 校準(zhǔn)完畢，可根據(jù)各流量實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的誤差計(jì)算校正值，并采用合適的誤差修正方法予以修正。
⑨ 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試要求。氣體超聲流量計(jì)一般都有豐富的的自診斷功能，在儀表工作異常時(shí)，調(diào)閱診斷信息，可獲得重要線索。除此之外，還可通過(guò)下面的測(cè)試和分析，對(duì)儀表工作情況作出判斷。
a. 零流量測(cè)試。在無(wú)流動(dòng)介質(zhì)的情況下，檢查流量計(jì)的讀數(shù)是否為零或在流量計(jì)本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
b. 聲速測(cè)試及分析。首先測(cè)出某一工況條件下的實(shí)際聲速，再計(jì)算出相同條件下的理論聲速，兩者之間的差值應(yīng)在儀表本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
c. 聲道長(zhǎng)度測(cè)試及分析。首先測(cè)量出實(shí)際實(shí)際聲道長(zhǎng)度，然后在零流量條件下，由理論聲速和測(cè)量出的傳播時(shí)間計(jì)算出聲道長(zhǎng)度，兩者之間的差值應(yīng)在儀表本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
d. 聲道間讀數(shù)差異檢查。對(duì)于多聲道超聲流量計(jì)，應(yīng)檢查不同聲道在零流量條件下的讀數(shù)，其讀書(shū)差異應(yīng)在儀表本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
（5）城市天然氣流量計(jì)的選型 城市是天然氣使用的zui終用戶，城市普遍使用天然氣是現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。面對(duì)系統(tǒng)繁雜、需求多樣的用戶群體，要處理許多同輸氣計(jì)量站不同的問(wèn)題，其顯著的特點(diǎn)是：流體壓力較低（1.6MPa以下）；口徑較小（DN300以下）；安裝條件差（直管長(zhǎng)度不足）;管道維修力量薄弱；要求計(jì)量?jī)x表功能簡(jiǎn)明易懂、操作方便、免維修、價(jià)格適中等。在作計(jì)量?jī)x表選型時(shí)，不僅要考慮用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力，還要兼顧用戶單位儀表選型的傳統(tǒng)習(xí)慣。在眾多的流量計(jì)類型中，除了上面三種，常見(jiàn)的還有下面幾種。
①旋轉(zhuǎn)式容積流量計(jì)。用作天然氣計(jì)量的旋轉(zhuǎn)式容積流量計(jì)主要是氣體腰輪流量計(jì)，不僅可用來(lái)計(jì)量干氣，也可以來(lái)計(jì)量濕氣（即伴生氣）。由于孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)不適應(yīng)測(cè)量含有液滴的伴生氣，氣體腰輪流量計(jì)因沒(méi)有嚴(yán)格要求，所以相對(duì)具有一定的*性。容積式流量計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流動(dòng)脈動(dòng)不敏感。
氣體腰輪流量計(jì)在使用中應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。
a. 為防卡、堵，流量計(jì)前應(yīng)加裝目數(shù)恰到好處的過(guò)濾器，并注意排污、檢查和清洗過(guò)濾網(wǎng)。
b. 儀表投運(yùn)前應(yīng)先走旁通，并確保儀表前、過(guò)濾器后的管段內(nèi)沒(méi)有焊渣等垃圾。投運(yùn)步驟與前面所述的氣體渦輪流量計(jì)相同。防止腰輪在超速條件下運(yùn)行。
c. 應(yīng)防止計(jì)量腔積液，為此，儀表應(yīng)垂直安裝，流量計(jì)應(yīng)高出工藝管線，以便定期排出積液。
d. 容積式流量計(jì)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其上下游差壓可能產(chǎn)生相應(yīng)變化，因此維修人員應(yīng)經(jīng)常留心觀察此差壓，從而對(duì)故障是否存在作出判斷。
e. 沖洗管道的蒸汽禁止通過(guò)流量計(jì)。
容積式流量計(jì)的不足之處是高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噪聲較大。轉(zhuǎn)動(dòng)部分一旦被垃圾卡死就會(huì)影響天然氣的供應(yīng)。其另一個(gè)特殊的地方是有降壓脈動(dòng)。根據(jù)測(cè)量原理，腰輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生小的壓力脈動(dòng)。通常情況下，此脈動(dòng)對(duì)自身測(cè)量無(wú)影響，但在用標(biāo)準(zhǔn)表同腰輪流量計(jì)串聯(lián)起來(lái)校準(zhǔn)時(shí)，就有可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。
② 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)
a. 儀表結(jié)構(gòu)與工作原理。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3.24所示，它由殼體、旋渦發(fā)生器、檢測(cè)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。旋渦發(fā)生器使氣流旋轉(zhuǎn)應(yīng)產(chǎn)生漩渦流，殼體內(nèi)的文丘里管及擴(kuò)散段使渦流發(fā)生進(jìn)動(dòng)，檢測(cè)元件將進(jìn)動(dòng)頻率檢測(cè)出來(lái)。轉(zhuǎn)換和顯示系統(tǒng)將檢測(cè)到的信號(hào)放大和轉(zhuǎn)換后經(jīng)運(yùn)算在顯示器上顯示并將信號(hào)送二次表處理。
b. 儀表的特點(diǎn)：工作溫度范圍寬；范圍度大；雷諾數(shù)在一定范圍內(nèi)，不受流體溫度、壓力、密度和黏度影響；適當(dāng)性強(qiáng)，除含有較大顆粒或較長(zhǎng)纖維雜質(zhì)外，一般不需裝過(guò)濾器；對(duì)上下游直管段要求較低，取上游4D和下游2D直管段即可；輸出頻率同體積流量成線性關(guān)系。
圖3.24旋進(jìn)漩渦流量計(jì)結(jié)構(gòu)
其不足之處是壓損較大，其次，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)屬流體振動(dòng)式流量計(jì)，對(duì)于管道振動(dòng)和電磁干擾較敏感，所以只能在振動(dòng)較小、無(wú)電磁干擾的環(huán)境中使用。
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