1. 前言

    中国天然气资源十分丰富，天然气远景储量47万亿立方米，可开采储量18万亿立方米，年产量约350亿立方米，可供开采约500年左右。新中国成立以来，我国一直致力于清洁能源天然气的勘探开发，但受各方面因素制约，发展不快。我国天然气生产的跨越发展始于西气东输工程的实施。该工程自2000年2月启动，特别是2003年10月投产以来，大大促进了全国天然气的勘探开发和消费。到2006年，我国累计探明天然气可采储量3。7万亿立方米，天然气产量从2000年262亿立方米迅速增长到去年595亿立方米，年均增长55亿立方米，是20世纪90年代年均增长11亿立方米的5倍，在天然气高速发展的前提下，计量工作显得更加重要。专家认为，中国将成为未来世界上天然气需求增长最为迅速的国家之一，西气东输年设计输量120亿立方米，而且输量逐年增加，这样大的输量要求计量更加准确无误，如果出现误差，损失相当严重，这样西气东输采用了计量精度0.5级的英国DANIEL超声波流量计。

    2. DANIEL超声波流量计工作原理及流量方程

    2.1. 工作原理

    DANIEL超声波流量计是时间直通式超声流量计，声波由一个探头发射另一个接收，不经管壁反射，声波由上游向下游传输的时间（由于声波被气流推动）小于声波由下游向上游传输的时间（声波被气流反向阻挡），这两个时间之差与气流的速度存在某种对于关系，从上、下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度。如图一。

    2.2. 流量方程

    2.2.1. 任意一对传感器的流量方程

    逆流传播时间：

    （1）

    顺流传播时间：

    （2）

    从（1）、（2）方程中求出：

    2.2.2. 四声道超声波流量计流量方程美国Daniel公司生产的四声道高级超声波流量计，四组对射传感器呈“X”型分布，使之更有利于涡流或偏流等流态的测量。这种四声道超声波流量计利用测量在四个并行通道上超声波通过流动气体的传输时间，以精确获得气体的平均流速。

    四声道超声波流量计所测流体平均速度的计算是在单声道流量计的基础上得出的：

    式中Wn为权重几何因子。权重因子仅取决于探头的几何分布情况，如图二所示。

    2.2.3. 流量流量与流体的流速和截面积有关：

    流量Q=流速V×截面积S

    3. DANIEL超声波流量计结构（带MARKII电子单元）

    DANIEL超声波流量计主要由超声波本体、超声波探头、MARKII电子单元三部分组成。

    3.1 超声波本体流量计本体采用整体铸造钢制表体，减少焊缝接口，有效减少表体热胀冷缩对计量的影响。

    3.2 超声波探头DANIEL超声波流量计采用了T-Slot型超声波探头，如图三所示。

    T-Slot型超声波探头主要有四个特点：

    （1）高频率，低功耗，低电压工作，高效，安全；

    （2）灵敏度高；

    （3）可以在线带压更换，更换电缆不影响工作及精度；

    （4）结构紧凑，插入表体浅，不易受污垢影响，寿命长。

    3.3 MARKII电子单元MARKII电子单元功能很强大，可以计算工况流量；可以直接接入温度和压力信号，进行温压补偿运算，即不使用流量计算机获得标况流量；它可以按AGA8号报告粗略计算压缩因子；可以进行雷诺数的计算，用来矫正流态剖面对流量测量的影响；可以在单通道或双通道流量计中进行流态的矫正。在西气东输管线上，为了保证得到最准确的天然气流量，并没有使用MARKII电子单元的强大计算功能。而是只将它作为一个流速信号的变送器进行输出，然后由一台独立的流量计算机进行最后的标况计算。

    4. DANIEL超声波流量计的安装

    4.1 安装环境

    4.1.1 根据安装点具体的环境及工作条件，对流量计采取必要的隔热、防冻及其他保护措施。

    4.1.2 流量计的安装尽可能避开振动环境，尤其是可引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。

    4.1.3 在安装流量计及其相关的连接导线时，应避免可能存在较强电磁或电子干扰、远离噪声源或采取措施消除噪声干扰、以及避免脉动流的干扰。

    4.2 上、下游直管段的安装管道内的流体流态对流量计的计量准确影响很大，虽然DANIEL超声波流量计采用了四声道的测量原理，可以对旋涡和不同流态进行动态补偿，但是为了得到计量的高准确度，减少测量的误差，在流量计上、下游安装一定长度的直管段是必备要求。上、下游直管段越长，流态就越理想，流量计的测量精度就越高。但是，由于受到场地和成本等因素的影响，直管段又不能做的太长。因此，DANIEL超声波流量计安装要求上游至少保留30D的距离，下游为5D的距离。

    4.3 直管段内径及法兰连接为了避免流量计本体内径与上、下游直管段法兰连接所产生的台阶对流态产生影响，从而导致计量误差加大。安装时要求上、下游直管段内径与超声波流量计的内径之差小于超声波流量计内径的1%，其绝对值应小于5mm。

    4.4 温度变送器的安装温度是计算管道中天然气压缩因子的一个重要变量，对温度测量的准确度直接影响到流量计最终的测量结果。为了测量准确的温度值，需要温度传感器有足够的插入深度来和天然气有充分的接触面积。但是，插入的深度不能对气体流态产生影响。因此，DANIEL超声波流量计要求温度变送器的安装位子应该在流量计的下游3-5D范围内，传感器插入深度大于75mm，测温点在管道的中心附近。DANIEL超声波流量计采用的是具有HART通讯功能的温度变送器。

    4.5 压力变送器的安装压力变送器在超声波流量计本体取压。在流量计本体上有取压口。DANIEL超声波流量计采用了绝压变送
器，因此，在流量计算机中输入的大气压力为0。DANIEL超声波流量计采用的压力变送器具有HART通讯功能。

    DANIEL超声波流量计在西气东输的分输站中，采用了整体撬体的安装模式，配合站内的整体流程工艺，均采用水平安装，没有选用整流器和气体过滤器。

    5. 运行及维护

    5.1 流量计的运行

    5.1.1 西气东输选用的DANIEL超声波流量计投入使用前，在美国进行了检定和实流校准。

    5.1.2 DANIEL超声波流量计在投产前进行了试压操作，试压等级为10MPa，并且进行了密封试验。

    5.1.3 规定DANIEL超声波流量计每2年检定1次。

    5.1.4 超声波流量计在使用前，在无流动介质的情况下，检查流量计的读数是否为零或在流量计本身规定的允许范围内。

    5.1.5 在运行前，为了避免流量计承受过高差压或过高流速，管道要缓慢加压，直至达到流量计的运行压力。压力的剧烈震荡或不当的高速加压都会损坏流量计。

    5.1.6 超声波流量计最高流速不超过30m/s。

    5.1.7 管道扫线时，应将流量计拆除，以直通短管代替，扫线作业完成后再安装流量计。流量计在进行拆卸和从管线移走之前，管线必须先卸压和氮气置换。管线卸压要缓慢进行，以免损坏流量计。

    5.1.8 由于超声波流量计对水分比较敏感，因此要尽量保证管道干燥，及时排出分离器中的污水。

    5.1.9 在启动运行超声波流量计之前必须进行如下关键性的检查：

    （1）对流量计的测量管段进行充压，检查所有的法兰连接处和引压接头，以及温度传感器的插入接头处，确认无任何气体泄漏现象。

    （2）暂时先断开供电电源与所有电路板的连接；

    （3）接通流量计的供电电源；

    （4）检查现场超声波流量计接线端子板上的供电电压；

    （5）检查供电电源的极性；

    （6）如果按第（4）与（5）所执行的检查都确认无误后，把刚刚断开的电源与电路板的连接重新接好；

    （7）检查接到RS485/232转换器的频率输出引线的极性；

    （8）检查气体超声流量计、温度/压力变送器安装是否正确、可靠，包括流量计的安装方向、垂直度；所有连接部位的密封性能；

    （9）使用HART编程器为温度、压力变送器设定地址；（相关通讯）

    （10）依照生产厂家所提供的系统接线图，核对所有接线。

    5.2 流量计的维护由于超声流量计是一种无可动部件，无节流件，无引压/引流管路的纯电子产品，不存在部件磨损和堵塞的问题，应定期检查信号处理单元和声道有无故障、零流量测量是否准确、超声换能器表面是否有沉积物等，以降低故障的发生率，提高设备使用寿命。

    5.2.1 软件诊断DANIEL超声波流量计在日常的维护工作中有以下几个重要参数，利用DANIEL超声波流量计的诊断软件DUI可以查找到这些参数。

    5.2.1.1 每个声道的增益（AGC）GainsettingUPStrm：各声道信号上行的增益，Gainsettingdnstrm：各声道信号下行的增益。增益的最大值为180，当测的值大于170即视为不正常。一般160以下为正常值。如果增益大于160，要检查是否是由管道压力过低、或者传感器脏污造成的。

    5.2.1.2 信号质量与噪音Signalmaxupstrm：表示各声道上行的质量，Signalmaxdnstrm：表示各声道下行的质量，该数字越大，表示信号质量越高。正常的信号质量应该在五位以上。

    Noisemaxupstrm：表示各声道上行传输的噪声，Noisemaxdnstrm：表示各声道下行传输的噪声。该数值越小，表示噪声越小，也表示流量计工作正常，当该数值大于100之后，说明工作不正常，应该检查管道配置。消除噪声。

    5.2.1.3 流量，声速，平均流速，工况流速Flowvelocity为各声道当时的流速。SoundVelocity为当时的声道声速。AVGFlowvelocity为各声道当时的平均流速。AVGSoundVelocity为当时的声道平均声速。

    通过对比对称声道的流量，声速，平均流速，工况流速，可以直观的判断各声道的工作状态。

    5.2.2 日常维护超声换能器的检查、维护方法及步骤：

    1. 声波探头（换能器的）检查主要是测量其电阻值，其应为1殴姆左右，开路或短路则表明探头可能损坏。

    2. 换能器拆卸有带压拆卸和不带压拆卸两种方式：

    （1）不带压拆卸：无需专用工具。关断流量计前后阀门，将阀门间的气体排出，观察现场压力表，当压力为零时方可拆卸。拧下罩壳上的螺丝，拆下罩壳。拧下露出的螺丝，拔下联线插头。用活扳手逆时针拧下探头。

    （2）带压拆卸：应使用厂家提供的专用工具，并由经培训的专门人员操作。操作步骤详见带压拆卸专用工具使用说明书。
对拆卸下的探头进行外观检察，并使用干布擦去探头上的污垢。

    3. 小流量切除由于管道内气流的撞击，会造成超声波流量计的误判断，产生一个不真实的流量，所以需要利用流量计算机的小流量切除功能将低于工况1立方米每小时的流量进行切除。

    4. 定期清洁超声波流量计前后的直管段。

    5. 气体超声流量计长期不计量系统应断电，当短期不计量而管道内压力低于工作压力时，系统也应立即断电，以延长气体超声流量计的系统使用寿命。

    6. DANIEL超声波流量计的配套流量计算机

    西气东输应用的DANIEL超声波流量计选用的是DANIEL公司的S600流量计算机。西气东输选用的S600流量计算机主要由3块板
卡组成：CPU板、HART板、I/O板。

    CPU板采用了32-bit80486DX2CPU，具有强大的计算功能。同时，还具有强大的通讯功能：具有2个RS232通讯接口，用于连接打印机或RTU；具有3个RS422/RS485通讯接口，用于连接SCADA系统（Modbus协议）；并且，可以通过FTP和TCP/IP连接到以太网。DANIEL超声波流量计测得的工况流量数据就是通过RS485接口传送到S600流量计算机上的。同时，由色谱分析仪测出的天然气气体组分数据也传输到S600流量计算机上。

    HART板主要功能就是读取压力变送器和温度变送器测得的压力、温度值。

    I/O板，将S600流量计算机计算得出的重要参数传输到SCADA用于在站控机上显示读取。

    这样，S600流量计算机从现场读取到的工况流量、压力、温度和气体组分数据通过其强大的计算功能，最后准确计算出用于计量交接的天然气标况流量。

    7. 结束语

    西气东输管线在大流量的计量工作中，主要采用了英国DANIEL超声波流量计，高准确度的进行了与下游用户的计量交接。本文通过对DANIEL超声波流量计原理、计算、结构、使用和维护的介绍，明确DANIEL超声波流量计在计量中的重要性。它具有的测量精度高、测量范围宽、无压损、无磨损部件、使用寿命长等特点和较低的安装成本和运行成本，在西气东输高压、大流量的天然气计量中具有强大的优势。

    【参考文献】

    [1]西气东输运行处。西气东输超声波流量计运行维护规程。西气东输运行处编。
    [2]英国DANIEL公司。超声波流量计使用维护手册。英国DANIEL公司。

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