天然氣計量技術(shù)講座課件

天然氣計量技術(shù)講座

氣體超聲流量計天然氣計量技術(shù)講座

氣體超聲流量計1丹尼爾超聲波流量計的發(fā)展歷史八十年代初期,英國煤氣公司開始研發(fā)四通道的超聲波流量計1986:英國煤氣公司授權(quán)Daniel公司作為唯一的開發(fā)商,進一步開發(fā)該類型流量計的工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用1989:第一臺模擬電路超聲波流量計順利出廠,在英國開始銷售并用于商業(yè)計量1993:DANIEL公司采樣自動增益控制和數(shù)字信號處理技術(shù)改善了流量計的電子單元,提高了信號的保真度和流量計的精度1994:DANIEL引入防爆的MarkII電子處理裝置丹尼爾超聲波流量計的發(fā)展歷史八十年代初期,英國煤氣公司開始2丹尼爾超聲波流量計的發(fā)展歷史1998:DANIEL開發(fā)出可在線拆裝的超聲波探頭器并可提供在線帶壓拆裝工具2000:中油西南分公司采用7臺DANIEL高級超聲波流量計用于貿(mào)易計量，向重慶和四川的大型天然氣用戶供氣。2001：大慶油田天然氣公司采用7臺DANIEL

中級超聲波流量計用于儲氣庫和內(nèi)部管線計量。丹尼爾超聲波流量計的發(fā)展歷史1998:DANIEL開發(fā)出可3丹尼爾氣體超聲波流量計丹尼爾氣體超聲波流量計4特點及技術(shù)規(guī)范高精度：精度+/-0.1%(經(jīng)過時流標定） 專用于貿(mào)易交接多通道可檢測流體的多個剖面多通道提供了必要的冗余能力，獨特的聲道替補技術(shù)使流量計在某一聲道故障的情況下，仍能基本正常工作精確的設(shè)計和在加工制造過程中的質(zhì)量控制聲速,溫度,氣體運行狀況的測量是相對獨立的特別適用于高壓氣體,一般最低工作壓力為6～7bar常見流量計的直徑,100mm-900mm(4”-36”)最高壓力可達ANSI#2500(約42MPa)

特點及技術(shù)規(guī)范高精度：精度+/-0.1%(經(jīng)5超聲流量計測量原理氣體超聲波流量計是利用超聲脈沖在氣流中傳播的速度與氣流的速度有對應(yīng)的關(guān)系，即順流時的超聲脈沖傳播速度比逆流時傳播的速度要快，這兩種超聲脈沖傳播的時間差越大，則流量也越大的原理。在實際工作過程中，處在上下游的換能器將同時發(fā)射超聲波脈沖，顯然一個是逆流傳播，一個是順流傳播。氣流的作用將使兩束脈沖以不同的傳播

時間到達接收換能器。由于兩束脈沖傳播的實際路程相同，傳輸時間的不同直接反映了氣體流速的大小。利用如下公式，即可通過時間的檢測得到氣流的流速：超聲流量計測量原理氣體超聲波流量計是利用超聲脈沖在氣流中傳6氣體超聲流量測量的簡化幾何關(guān)系氣體超聲流量測量的簡化幾何關(guān)系7超聲流量計測量原理超聲流量計測量原理8超聲流量計測量原理式中：tD——順流傳播時間，s；tU——逆流傳播時間，s；L——聲道長度，m；C——聲速，m/s；v——氣體沿氣流方向平均流速，m/s；

?——超聲波脈沖的傾斜角，rad；氣體在流動工作狀態(tài)條件下單位時間的體積流量qv為：qv=A? V式中：A—為管道內(nèi)截面積。當管道內(nèi)流體屬于對稱分布，無旋渦存在時，流體動力系數(shù)k值與管道中氣體流動工作狀態(tài)條件下的雷諾數(shù)有關(guān)。由上述推導(dǎo)可看出，流量的準確計算是由通過時間的準確測量來保證的。只要精確測量出時間就可以保證測量精度。超聲流量計由于采用了高速數(shù)字處理電路技術(shù)，從而能檢測出微秒級的微小時間差，計時精度達到毫微秒級，因而使測量的分辨率可達1mm/s，并且無示值漂移，重復(fù)性非常高。從上式也可看出，體積流量的測量準確度決定于三方面：時間差，結(jié)構(gòu)參數(shù)L、A、等的測量誤差和儀表動力系數(shù)k的準確度。式中：tD——順流傳播時間，s；超聲流量計測量原理式中：9超聲流量計測量原理tD——順流傳播時間，s；tU——逆流傳播時間，s；L——聲道長度，m；C——聲速，m/s；v——氣體沿氣流方向平均流速，m/s；

?——超聲波脈沖的傾斜角，rad；氣體在流動工作狀態(tài)條件下單位時間的體積流量qv為：qv=A? V式中：A—為管道內(nèi)截面積。當管道內(nèi)流體屬于對稱分布，無旋渦存在時，流體動力系數(shù)k值與管道中氣體流動工作狀態(tài)條件下的雷諾數(shù)有關(guān)。由上述推導(dǎo)可看出，流量的準確計算是由通過時間的準確測量來保證的。只要精確測量出時間就可以保證測量精度。超聲流量計由于采用了高速數(shù)字處理電路技術(shù)，從而能檢測出微秒級的微小時間差，計時精度達到毫微秒級，因而使測量的分辨率可達1mm/s，并且無示值漂移，重復(fù)性非常高。從上式也可看出，體積流量的測量準確度決定于三方面：時間差，結(jié)構(gòu)參數(shù)L、A、等的測量誤差和儀表動力系數(shù)k的準確度。超聲流量計測量原理tD——順流傳播時間，s；10超聲流量計的結(jié)構(gòu)氣體超聲流量計的結(jié)構(gòu)主要取決于以下幾個方面：（1）聲波探頭的設(shè)置方式。外置式或內(nèi)置接觸式，氣體超聲流量計一般采用將接收和發(fā)射換能器插入管內(nèi)至內(nèi)壁邊緣。（2）聲波的接收方式。①直射式：直接接收發(fā)射探頭的聲波②反射式：接收經(jīng)管壁反射以后的聲波。即接收換能器不是直接接收發(fā)射換能器發(fā)出的聲波，而是接收經(jīng)管壁一次反射或再次反射回的聲波。（3）聲道的設(shè)置。單聲道和多聲道。不論是單聲道還是多聲道氣體超聲流量計，其聲波的發(fā)送與接收原理是一樣的。不同的是在不同聲程上所測的線速度對管道截面的流速的呈現(xiàn)不同。超聲流量計的結(jié)構(gòu)11超聲流量計的組成超聲流量計主要由以下兩部分組成：流量計表體、超聲換能器及其安裝部件，它們直接與被測介質(zhì)接觸；信號處理單元（SPU）：由電子元件和微處理器系統(tǒng)組成。它接受超聲換能器的信號，且具有處理測量信號和顯示、輸出及記錄測量結(jié)果等功能。位于現(xiàn)場的電信號處理及轉(zhuǎn)換部分安裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。超聲流量計的組成超聲流量計主要由以下兩部分組成：12超聲波流量計的基本原理

用于天然氣流量測量的超聲流量計使用的是時間差法。圖1為直射式超聲流量計的工作原理示意圖。在管壁兩邊安裝一對斜角為的超聲換能器，兩個換能器同時或定時向?qū)Ψ桨l(fā)射和接收對方的超聲信號。圖1工作原理圖超聲波流量計的基本原理用于天然氣流量測量的超13襯墊材料導(dǎo)電體壓電晶體Disk耦合層殼體24V輸入電壓輸出120KHz輸入120KHz輸出超聲波流量計探頭圖2超聲探頭工作原理圖

襯墊材料導(dǎo)電體壓電晶體Disk耦合層殼體24V輸入電壓輸出14時間直通式原理的技術(shù)特點

聲波由一個探頭發(fā)射另一個接收，不經(jīng)管壁反射聲波由上游向下游傳輸?shù)臅r間(由于聲波被氣流推動)小于聲波由下游向上游傳輸?shù)臅r間(聲波被氣流反向阻擋)

這兩個時間之差與氣流的速度存在某種對于關(guān)系從上下游測得的傳輸時間可以計算出氣流的平均速度和聲波的速度時間直通式原理的技術(shù)特點 15時間直通式測量原理的精確性電子時鐘的穩(wěn)定性連續(xù)測量與流體狀態(tài)相關(guān)的聲波脈沖對電子元件和傳感器引起的信號滯后給予恰當?shù)难a償時間直通式測量原理的精確性電子時鐘的穩(wěn)定性16脈沖發(fā)生器接收單元檢測單元時鐘本安型傳感器信號檢測回路100MHz晶振

120kHz超聲波信號(大大給予調(diào)節(jié)閥的干擾頻率60kHz)時間直通式測量原理脈沖發(fā)生器接收單元檢測單元時鐘本安型傳感器信號檢測回路10017傳輸時間.004LFlowXD傳輸時間.007.003超聲波流量計傳輸時間.004LFlowXD傳輸時間.007.003超18任意一對傳感器t1=

Lc-v(x/L)

t2=

Lc+v(x/L)

LFlowXD高級超聲波流量計流量方程或任意一對傳感器t1=Lc-v(x/L)19流量從上述方程中求出v=L2x(t1-t2)t1t2c=L2(t1+t2)t1t2v=流體速度c=聲速t1=上游傳輸時間t2=下游傳輸時間2流量方程或L(X)=上下游換能器之間的距離流量從上述方程中求出v=L2x(t1-t2)t1t2c=20多通道即多路流速測量!多通道流量計ABCDVavg

=SWnVnn=14Vn=L(t1-t2)2x(t1t2)2超聲波流量計的計算多通道即多路流速測量!多通道流量計ABCDVavg=S21權(quán)重因子僅取決于探頭的幾何分布情況!Wa=0.1382Wb

=0.3618Wc

=0.3618Wd=0.1382多通道流量計ABCD幾何權(quán)重因子權(quán)重因子僅取決于探頭的幾何分布情況!Wa=0.1382W22流量與流體的流速和截面積有關(guān)

流量=流速*截面積流速測量式中：q——流體在管道中的工況流量；A——管道橫截面積。由此可見，超聲流量計的測量精度取決于聲道長度L和時間測量準確度。流量與流體的流速和截面積有關(guān) 流量=流速*截面積流速測量式中23Tup=

Lc-v(x/L)

Tdn

=

Lc+v(x/L)

FlowXDL/2L/2反射型超聲波流量計流量方程Tup=Lc-v(x/L)Tdn=Lc+v24單通道流量計單聲道超聲波流量計的計算單通道流量計單聲道超聲波流量計的計算25對單通道和雙通道流量計來說CF=矯正系數(shù)WR=管壁粗糙度Re=雷諾數(shù)流態(tài)剖面流態(tài)矯正對單通道和雙通道流量計來說CF=矯正系數(shù)流態(tài)剖面流態(tài)矯正26四通道流量計氣體高級超聲波流量計四通道流量計氣體高級超聲波流量計27多通道流量計算流量計算的步驟測量每個通道的聲波傳輸時間計算每個通道的速度計算平均速度流速乘以截面積多通道流量計算流量計算的步驟28流量計算準確的關(guān)鍵問題流量流速測量的結(jié)果對表體幾何尺寸的要求有關(guān)流體的全部計算結(jié)果取決于對聲波傳輸時間的測量傳輸時間的測量取決電子器件的性能有效消除旋渦和不對稱流的影響。流量計算準確的關(guān)鍵問題流量流速測量的結(jié)果對表體幾何尺寸的要求29超聲波流量計結(jié)構(gòu)

根據(jù)換能器多少，目前氣體超聲流量計有一至六聲道流量計；根據(jù)超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射三種。超聲波流量計結(jié)構(gòu)30結(jié)構(gòu)—單聲道流量計一般都采用單反射技術(shù)，計量不確定度為:1.0~2.0%。

結(jié)構(gòu)—單聲道流量計一般都采用單反射技術(shù)，計量不確定31結(jié)構(gòu)—單聲道流量計

結(jié)構(gòu)—單聲道流量計 32結(jié)構(gòu)—雙聲道流量計

Daniel采用的是直射技術(shù)；Instromet采用的是雙反射技術(shù)；Controlotron采用的是單反射技術(shù)。雙聲道氣體超聲流量計不確定度為1.0~1.5%。結(jié)構(gòu)—雙聲道流量計33結(jié)構(gòu)—雙聲道流量計

結(jié)構(gòu)—雙聲道流量計34結(jié)構(gòu)—雙聲道流量計

結(jié)構(gòu)—雙聲道流量計35結(jié)構(gòu)—三聲道流量計

Instromet采用的是一個單反射和兩個雙反射技術(shù)，Controlotron采用單反射技術(shù)，不確定度為0.7~1.0%。結(jié)構(gòu)—三聲道流量計Instromet采用的是一個單36結(jié)構(gòu)—三聲道流量計

結(jié)構(gòu)—三聲道流量計37結(jié)構(gòu)—四聲道和五聲道流量計

四聲道流量計：Daniel采用的是直射技術(shù)，不確定度為0.5%左右。五聲道流量計：目前只有Instromet公司推出此產(chǎn)品，有三個聲道采用單反射技術(shù)，兩個聲道采用旋轉(zhuǎn)方向相反的雙反射技術(shù)，對旋渦流的流量測量準確度較高，不確定度為0.5%左右。結(jié)構(gòu)—四聲道和五聲道流量計四聲道流量計：Dani38結(jié)構(gòu)—四聲道流量計

結(jié)構(gòu)—四聲道流量計39結(jié)構(gòu)—五聲道流量計

結(jié)構(gòu)—五聲道流量計40結(jié)構(gòu)—五聲道流量計

結(jié)構(gòu)—五聲道流量計41結(jié)構(gòu)——外夾式流量計

Controlotron采用單反射技術(shù)生產(chǎn)了外夾式超聲流量計，不確定度為1.0~2.0%。

結(jié)構(gòu)——外夾式流量計Controlotron采用單42結(jié)構(gòu)——探頭的特點

1，高頻率，低功耗，低電壓工作，高效，安全2，靈敏度高3，可以在線帶壓更換，更換電纜不影響工作及精度4，適用廣泛5，結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢影響，壽命長結(jié)構(gòu)——探頭的特點43結(jié)構(gòu)——探頭的特點

可以使用以下工具在線帶壓拆卸并更換超聲波探頭結(jié)構(gòu)——探頭的特點可以使用以下工具在線帶壓44T－SLOT探頭的特點1，高頻率，低功耗，低電壓工作，高效，安全2，靈敏度高3，可以在線帶壓更換，更換電纜不影響工作及精度4，適用廣泛5，結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢影響，壽命長T－SLOT探頭的特點1，高頻率，低功耗，低電壓工作，高效，45探頭的結(jié)構(gòu)探頭的結(jié)構(gòu)46T-Slot探頭的拆卸T-Slot探頭的拆卸47計量特性專用于貿(mào)易交接高精度：精度優(yōu)于 +/-0.5%, 重復(fù)性優(yōu)于+/-0.2%多通道可檢測流體的多個剖面多通道提供了必要的冗余能力，獨特的聲道替補技術(shù)使流量計在某一聲道故障的情況下，仍能基本正常工作精確的設(shè)計和在加工制造過程中的質(zhì)量控制計量特性專用于貿(mào)易交接48計量特性工作原理簡單；測量準確度高，量程比大，一般都是1：20，可達到1：100；適應(yīng)性強，上游直管段最好25~30D，下游直管段最好10D(加流動調(diào)節(jié)器，上游最短10D，下游5D，加上表體約20D)；無可動部件，可直接進行清管作業(yè)；受壓力變化影響較??；為高科技產(chǎn)品，各廠家的產(chǎn)品都有其獨特的專利技術(shù)，一次性投資高；多聲道，尤其是四聲道和五聲道流量計能適用多種流態(tài)；計量特性工作原理簡單；49計量特性聲速,溫度,氣體運行狀況的測量是相對獨立的特別適用于高壓氣體,一般最低工作壓力為4～5bar常見流量計的直徑,150mm-600mm(6”-36”)最高壓力可達ANSI#2500(約42MPa)計量特性聲速,溫度,氣體運行狀況的測量是相對獨立的50標準化

在標準化過程中，氣體超聲流量計算是比較快的。目前有AGA9號報告，ISO/TR12765，ISO/WD17089，我國參照AGA9號報告編寫的國標GB/T18604，2002年發(fā)布實施。標準化51如何確保超聲波流量計的精度精確的幾何加工尺寸和精密的傳感器定位儀表的整體化技術(shù)貫穿于設(shè)計的全部過程中，整體鑄造鋼制表體，減少焊縫接口，有效減少表體熱脹冷縮對計量的影響時間直通式測量原