近幾年來(lái)，我國(guó)天然氣行業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)。在天然氣行業(yè)中流量計(jì)量是直接影響企業(yè)和用戶(hù)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，越來(lái)越受到重視。時(shí)差式超聲波流量計(jì)以其精度高、可測(cè)量范圍大、量程比大、可測(cè)雙向流量和無(wú)壓損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在天然氣行業(yè)中。雖然目前天然氣處理工藝技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)和完善，但超聲波換能器上往往還會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象。這些積水主要來(lái)源于殘存的試壓水和管道內(nèi)濕空氣遇冷析出的冷凝水，這些液態(tài)水致使超聲波流量計(jì)失效或出現(xiàn)計(jì)量故障，造成經(jīng)濟(jì)損失，給企業(yè)和用戶(hù)帶來(lái)糾紛。

    1 E+H時(shí)差式超聲波氣體流量計(jì)工作原理

    當(dāng)管道中沒(méi)有流動(dòng)氣體時(shí)，E+H超聲波流量計(jì)換能器A接收對(duì)應(yīng)換能器B發(fā)出的超聲波所用時(shí)間，與換能器B接收所對(duì)應(yīng)的換能器A發(fā)出的超聲波所用時(shí)間相同。當(dāng)有氣體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，順流方向超聲波傳播時(shí)間小于逆流方向傳播時(shí)間，氣體的流速與超聲波順流和逆流傳播時(shí)間差成函數(shù)關(guān)系[1]。

    2 水對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的影響

    如圖1所示，在充滿(mǎn)氣體的管道壁有兩個(gè)成一定夾角的超聲波換能器，設(shè)氣體流速為V，管道直徑為D，兩換能器中心線(xiàn)之間距離為L(zhǎng)，兩個(gè)換能器延管線(xiàn)方向距離為X，超聲波在被測(cè)氣體中靜止速度為C。

圖1 液態(tài)水在超聲波流量計(jì)中位置

    在天然氣流經(jīng)換能器A和換能器B過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理，與天然氣順流方向換能器B端部易存留積水，而A端在受到流體的沖擊作用下不易產(chǎn)生積水。

    當(dāng)A、B換能器均未積水的情況下，根據(jù)時(shí)差法測(cè)算氣體流速原理，順流時(shí)間

   逆流時(shí)間

      （2）

    由公式（1）和（2）推導(dǎo)計(jì)算出氣體流速V為

       （3）

    由此通過(guò)測(cè)量X、L、t1、t2就可計(jì)算氣體流速，再將氣體流速加權(quán)修正后，測(cè)算出氣體流量。

    在換能器B積水的情況下，換能器A發(fā)出的超聲波會(huì)首先作用在積水上，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種情況是超聲波在水的反射作用下，使換能器B無(wú)法接收到超聲波，因而造成流量計(jì)無(wú)法記錄數(shù)據(jù)；另一種情況是超聲波在氣體傳播實(shí)際距離為L(zhǎng)′，在液態(tài)水中傳播距離為L(zhǎng)-L′。根據(jù)時(shí)差法超聲波測(cè)量原理，順流時(shí)間

      （4）

    其中

      （5）

    式中Δt為超聲波在液態(tài)水中傳播時(shí)間。

    逆流時(shí)間

    其中

       （6）

    另外

      （7）

    由公式（4）、（5）、（6）、（7）計(jì)算得氣體實(shí)際速度V′為

      （8）

    E+H超聲波氣體流量計(jì)后臺(tái)根據(jù)實(shí)際t1和t2，計(jì)算出氣體流速V為

      （9）

    因?yàn)槌暡ㄔ谝簯B(tài)水傳播時(shí)間Δt相對(duì)于t1'很小，可認(rèn)為，則有V>V′，這樣引起了計(jì)量故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起商業(yè)糾紛。

    3 減少水對(duì)超聲波流量計(jì)影響措施

    （1）科學(xué)的設(shè)計(jì)是減少天然氣長(zhǎng)輸管道存水的關(guān)鍵。在天然氣管道路由設(shè)計(jì)時(shí)要考慮長(zhǎng)輸管道地勢(shì)低洼地段積水因素；在場(chǎng)站設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各超聲波流量計(jì)前設(shè)備的排水功能和分離器系統(tǒng)的液態(tài)水處理功能。雖然現(xiàn)在的分離器可以除去各種尺寸的固體顆粒，也能100%分離掉大于8～10μm的水汽，但液態(tài)水的帶入會(huì)嚴(yán)重降低分離器的處理效果[2]。所以在設(shè)計(jì)工藝流程時(shí)，應(yīng)考慮在分離器前面加一級(jí)液態(tài)水處理裝置，分離掉大部分從管道內(nèi)帶來(lái)的液態(tài)水，其余少量水汽再由分離器除去。這種兩級(jí)分離工藝流程設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)氣體超聲波流量計(jì)的場(chǎng)站中已經(jīng)得到應(yīng)用，效果良好。

    （2）投產(chǎn)前干燥管線(xiàn)是天然氣長(zhǎng)輸管道干燥的重要保證。天然氣管道投產(chǎn)前的一般程序是試壓→除水→干燥→置換→投產(chǎn)。投產(chǎn)前的管道積水是管道內(nèi)液態(tài)水留存的主要原因。雖然國(guó)家規(guī)范中未強(qiáng)制規(guī)定進(jìn)行干燥，但由于超聲波氣體流量計(jì)較其他氣體流量計(jì)對(duì)液態(tài)水非常敏感，所以管線(xiàn)必須進(jìn)行干燥。

    （3）加強(qiáng)制度管理，減少人為因素影響。加強(qiáng)對(duì)E+H超聲波流量計(jì)前設(shè)備的排水管理，尤其是對(duì)分離器的排污排水管理。現(xiàn)在的分離器均設(shè)有排污管，通過(guò)人工排除分離出的污水。但如果操作人員管理不到位，積液會(huì)導(dǎo)致分離器失效，使液態(tài)水隨天然氣進(jìn)入超聲波氣體流量計(jì)而造成計(jì)量故障。所以應(yīng)建立分離器和之前相關(guān)設(shè)備的巡檢、點(diǎn)檢制度和保養(yǎng)規(guī)程，確保及時(shí)排除污水。

    （4）定期對(duì)E+H流量計(jì)進(jìn)行清洗。根據(jù)實(shí)際情況，定期取下超聲波換能器進(jìn)行清洗，除去換能器上的污物和液態(tài)水，保證超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確。

    4 結(jié)語(yǔ)

    由于E+H超聲波氣體流量計(jì)在天然氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)計(jì)量中應(yīng)用時(shí)間較短，對(duì)液態(tài)水的影響理論研究不多，也缺少改進(jìn)措施的探討和實(shí)踐。液態(tài)水造成超聲波流量計(jì)計(jì)量失效或偏大，這需要從設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)前準(zhǔn)備、投產(chǎn)、日常管理、流程的優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)等各方面制定措施，防止管道積水和水汽，從而減少液態(tài)水的影響，提高計(jì)量精度，保證企業(yè)與用戶(hù)利益。

    參考文獻(xiàn)

    [1]胡建愷，張謙琳1超聲波檢測(cè)原理和方法[M]1合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，19931
    [2]蔣學(xué)程，倪建樂(lè)1正確選用氣體超聲波流量計(jì)[J]1油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006（6）：57-581