摘 要 ：由于超声波流量计具有准确度高、稳定性好、压损小、量程比宽、无可动部件、故障率低等特点，因而广泛应用于国内天然气计量领域。在实际应用过程中，探头工作状态、气质情况、噪声、压力等都会对超声波流量计精度产生影响，甚至造成计量误差，而不同的故障类型，将有不同表现形式。针对超声波流量计在天然气长输管道计量中的影响因素，根据超声波流量计工作原理，结合现场实际，分析不同故障的表现形式，确定故障类型，排查故障原因，并提出管控方案，进而降低计量误差，实现公平计量。
目前中国正处于能源大发展时期，天然气需求逐年增加，加快建设清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系是国家实施能源战略，打赢能源攻坚战的必由之路。随着国内天然气市场的快速发展，天然气交易额稳步提升，对天然气贸易交接精度要求越来越高，因此如何保证计量精度，实现准确计量成为天然气贸易交接中的关键因素。超声波流量计相比于其他流量计具有无节流件、高精度、压损小、耐腐蚀等特点，广泛应用于国内长输管道天然气计量系统。
1 超声波流量计工作原理
声波作为一种机械辐射能，是以实际物质为载体的纵向压力波，当物质在大气中发生振动时便产生声波。声速的定义为声波在介质中的传播速度，受介质的弹性与密度的影响 [2]。超声波流量计通过超声换能器（又称“探头”）产生超声波，由一个探头发射另一个接收，在流动介质中声波由上游向下游的传输时间小于声波由下游向上游的传输时间，这两个时间之差与气体的流速存在对应关系，通过这种时间差法可以得到介质中的声速与介质流速 。
1.1 流速计算
天然气长输管道中，超声波流量计工作截面如图 1 所示。气体流动方向从左至右，故称 A 端为上游，B 端为下游。由于 A 与 B 的距离确定，且 A 端处于气流上游，B 端处于气流下游，因而超声波在气流的作用下从 A 至 B 的传播时间小于从 B 至 A 的传播时间 [4]。超声波由 A 至 B 的传播时间 t1 为 ：
超声波由 B 至 A 的传播时间 t2 为 ：
式中，L 为探头端面间的距离（又称“声程”），m ；θ为管道轴线与探头端面连线的夹角（又称“声道角”）；c为超声波在静态介质中的声速，m/s ；υ 为管道内气体沿轴线方向的流速，m/s ；t1、t2 分别为超声波顺流与逆流的传播时间，s。
根据式（1）、式（2）可得到 c、υ 分别为 ：
式中，t1 与 t2 为超声波流量计测得数据，因此只需知道声程 L 和声道角 θ 即可计算出管道内气体流速。
1.2 操作条件下的流量计算
操作条件下管道内气体的瞬时流量指单位时间内通过管道横截面积的流量值，即操作条件下的流量为管道内气体的平均流速与管道横截面积的乘积 [5]，如式（5）所示。
式（5）中，q 为操作条件下气体的瞬时流量，m3/h ；D 为管道内径，m；V 为管道内气体沿轴线方向的平均流速，m/s。
由于长输管道内壁为非光滑曲面，气体与管道内壁摩擦会影响流速，因而靠近管壁位置气体流速相对较慢，靠近中心位置气体流速相对较快。为准确计算 V，消除因摩擦造成的计算偏差，设置权重因子，探头分布不同，权重因子取值不同 [6]，如式（6）所示。
式（6）中，N 为声道数量 ；д 为权重因子。
1.3 标准参比条件下的流量计算
目前国内进行的天然气贸易交接均为标准参比条件下的天然气体积交接，因此需要将操作条件下的体积量变换为标准参比条件下的体积量，如式（7）所示 [7]。
式（7）中，Q 为标准参比条件下的天然气瞬时体积流量，m3/h ；Pf 为操作条件下的压力值，MPa ；Pn 为标准参比条件下的压力值，MPa ；Tn 为标准参比条件下的热力学温度，K ；Tf 为操作条件下的热力学温度，K ；Zn 为标准参比条件下的压缩因子 ；Zf 为操作条件下的压缩因子。
由于气体具有可压缩性，因而长输管道内的天然气在不同的压力、温度、组成体系下将体现出不同的压缩性能 [8]。
2 超声波流量计计量影响因素
2.1 探头工作效率对计量的影响
超声波流量计可移动部件较少，主要由表体、超声换能器、信号处理单元组成，超声换能器作为超声波流量计的核心部件，负责超声波的发射与接收 [9]。根据式（4）可知，管道内气体流速计算与超声波顺流和逆流传播时间、声程及声道角有关，而声程和声道角为超声波流量计固有属性，因此超声换能器工作状态决定流速测量精度 [10]。
1）探头缺陷
天津管道某计量交接站使用 Elster 六通道超声波流量计作为贸易交接仪表，正常供气期间发现该流量计偏差较大。
对该超声波流量计数据进行查验，发现该流量计 5 通道探头使用率较低，为 30% ～ 60%（正常应为 100%），同时 5 通道流速（VOG）明显低于其他通道。由于探头分布具有沿管道轴线对称性，相同环境下对应探头间流速相同，即 υ(A)=υ(F)、υ(B)=υ(E)、υ(C)=υ(D)，因而判断偏差是由 5通道数据异常导致。在对流量计传输系统检查确认无误后，对流量计探头进行检查，发现该流量计 5 通道上游探头存在明显缺陷，如图 2 所示。对 5 通道探头进行更换，数据恢复正常。
探头为超声波流量计发射、接收声波的部件，对设备运行起着关键作用。根据式（4）可知，超声波发射与接收声波效率影响管道内气体流速计算，进而影响计量精度 [12]。上例中，由于探头缺陷，导致 5 通道计算流速偏低，影响计量准确性。
2）探头故障
超声波流量计探头工作状态可通过流量计配套软件进行检查，不同型号的流量计对应不同的数据标准，如信号质量、信噪比、增益等。当正常运行状态下的数据值超过标准值时，需及时对流量计进行检查，避免产生计量误差 [13]。天津管道某计量站使用 Daniel 四声道超声波流量计，某日正常输气期间外输故障报警，信号传输中断。对采集到的压力、温度和气体组成核查无误后，对流量计本体进行检查，发现此流量计 A 通道探头增益超过正常值见表 1。
根据 GB/T18604《用气体超声流量计测量天然气流量》要求，超声波流量计各通道间声速偏差小于 0.2%，该流量计声速偏差超过规定值见表 2。
超声波流量计的增益表示可以正常接收信号时的强度。当增益超过正常值时，可能因为探头故障、探头表面脏污或者干扰信号过强等，影响有效信号的接收。根据上述检测结果，初步判断是探头表面脏污导致，对探头清洗后数据恢复正常，如图 3 所示。
2.2 气质和噪声对计量的影响
除探头本身原因外，管道内气质情况、上下游噪声等都会影响超声波流量计的计量精度 [14]。GB/T18604《用气体超声流量计测量天然气流量》中指出，天然气气质对气体超声波流量计影响较大，尤其是粉尘、凝析油等对气体超声波流量计计量性能的影响较大。这些脏污在管壁和换能器上附着和堆积，如果现场清洗维护工作不及时，可能会带来较大的计量偏差。研究表明，探头脏污可对流量计流量输出带来 0.3% 以上的偏差。中国长输管道气源多来自于国内气田、LNG 接收站、境外管道输入，气质情况无法保持一致。为防止因气质造成的计量误差，超声波流量计前常设有过滤分离装置，如图 4 所示。
噪声与气体流速、场站工艺相关，根据《工作场所有害因素职业接触限值 第 2 部分 ：物理因素》的规定，当噪声超过 85dB 时，将对人的听力、神经和心血管系统产生影响，场站人员长时间接触噪声，势必对身心造成伤害 ；同时当噪声频率范围与超声波流量计工作频率相近时，将干扰探头接收信号，影响流速计算 [15]。AGA No.9 报告和 ISO 17089 提出了如何减少噪声对超声波流量计的影响以及实用性的要求，如对于流量计生产厂家而言，应增强流量计的信号处理能力，改善对声脉冲的识别和检测，同时提高滤波能力 ；对于使用者而言，可在流量计和噪声源之间安装管路附件（如 ：过滤器、盲三通等）来隔离噪声。此外，噪声源相对于流量计的安装位置（上游还是下游）、相对距离、流量计与噪声源之间的管件类型和数量等尤为重要。静音调节阀虽然可降低场站的噪声，但其产生的频率往往较高，可达到超声波流量计的工作频率，易造成探头误接收，影响计量精度。因此，常通过设计 π 型管降低设备噪声，如图 5 所示。
2.3 压力对计量的影响
根据式（7）可知，标准参比条件下的流量值与操作条件下的流量值、压力、温度、气体组成有关，因此准确计算操作条件下的流量、提取压力、温度、气体组成对准确计算标准参比条件下的流量，实现公平贸易交接起着决定作用 [16]。
天津管道某计量站使用的是罗斯蒙特压力变送器进行压力补偿，因设备到期对其进行维护与检定，完成后回装。工作当日发现输气量偏差较大，对该站流量计检查无误后，利用 FLUKE 754 过程校验仪（精度为 0.5‰）对该压力变送器进行检测，如图 6 所示。
根据 JJG882-2019《压力变送器检定规程》要求，压力变送器误差不应超过准确度等级对应的输出量程百分比。通过检测发现，该
压力变送器反馈压力值比标准器高约30kPa，超出规范要求见表 3，对该压力变送器重新校验后数据恢复正常。
上述案例中，由于压力变送器反馈压力值高于真实值，导致计量结果偏高。天然气长输管道中，除了压力因素外，温度、气体组成同样影响计量结果。根据美国气体协会1992 年发布的计算压缩因子的 AGA 8 报告可知，压缩因子的计算也与压力、温度和气体组成相关。因此，需及时更新天然气组分，定期核对采集数据，避免因数据偏移造成的计量误差。此外，使用中要利用超声波流量计的自诊断功能，加强声速测量的监测诊断，把控流量计性能，减少计量偏差，增加计量准确度。
3 结论
超声波流量计在天然气长输管道计量中，首先通过时间差法测得气体流速，再通过管道内径计算气体操作条件下的流量，非常后利用压力、温度、气体组成计算气体压缩因子，将操作条件下的流量转换为标准参比条件下的流量，进行贸易交接。
本文总结了在天然气长输管道计量中的一些常见问题及应对措施，其中探头工作效率，压力、温度、压缩因子采集精度都是影响计量结果的常见因素。因此，需定期清洗探头，测试探头工作状态，核查压力、温度、气体组成的采集情况，确保计量准确。
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