近幾年來，我國天然氣行業發展突飛猛進。在天然氣行業中流量計量是直接影響企業和用戶經濟效益的關鍵環節，越來越受到重視。時差式超聲波流量計以其精度高、可測量范圍大、量程比大、可測雙向流量和無壓損等優點，被廣泛應用在天然氣行業中。雖然目前天然氣處理工藝技術已經非常先進和完善，但超聲波換能器上往往還會出現積水現象。這些積水主要來源于殘存的試壓水和管道內濕空氣遇冷析出的冷凝水，這些液態水致使超聲波流量計失效或出現計量故障，造成經濟損失，給企業和用戶帶來糾紛。

    1 E+H時差式超聲波氣體流量計工作原理

    當管道中沒有流動氣體時，E+H超聲波流量計換能器A接收對應換能器B發出的超聲波所用時間，與換能器B接收所對應的換能器A發出的超聲波所用時間相同。當有氣體流經流量計時，順流方向超聲波傳播時間小于逆流方向傳播時間，氣體的流速與超聲波順流和逆流傳播時間差成函數關系[1]。

    2 水對超聲波氣體流量計的影響

    如圖1所示，在充滿氣體的管道壁有兩個成一定夾角的超聲波換能器，設氣體流速為V，管道直徑為D，兩換能器中心線之間距離為L，兩個換能器延管線方向距離為X，超聲波在被測氣體中靜止速度為C。

圖1 液態水在超聲波流量計中位置

    在天然氣流經換能器A和換能器B過程中，根據設計結構原理，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生積水。

    當A、B換能器均未積水的情況下，根據時差法測算氣體流速原理，順流時間

   逆流時間

      （2）

    由公式（1）和（2）推導計算出氣體流速V為

       （3）

    由此通過測量X、L、t1、t2就可計算氣體流速，再將氣體流速加權修正后，測算出氣體流量。

    在換能器B積水的情況下，換能器A發出的超聲波會首先作用在積水上，此時會出現兩種情況：一種情況是超聲波在水的反射作用下，使換能器B無法接收到超聲波，因而造成流量計無法記錄數據；另一種情況是超聲波在氣體傳播實際距離為L′，在液態水中傳播距離為L-L′。根據時差法超聲波測量原理，順流時間

      （4）

    其中

      （5）

    式中Δt為超聲波在液態水中傳播時間。

    逆流時間

    其中

       （6）

    另外

      （7）

    由公式（4）、（5）、（6）、（7）計算得氣體實際速度V′為

      （8）

    E+H超聲波氣體流量計后臺根據實際t1和t2，計算出氣體流速V為

      （9）

    因為超聲波在液態水傳播時間Δt相對于t1'很小，可認為，則有V>V′，這樣引起了計量故障，嚴重時會引起商業糾紛。

    3 減少水對超聲波流量計影響措施

    （1）科學的設計是減少天然氣長輸管道存水的關鍵。在天然氣管道路由設計時要考慮長輸管道地勢低洼地段積水因素；在場站設備設計時要考慮各超聲波流量計前設備的排水功能和分離器系統的液態水處理功能。雖然現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，但液態水的帶入會嚴重降低分離器的處理效果[2]。所以在設計工藝流程時，應考慮在分離器前面加一級液態水處理裝置，分離掉大部分從管道內帶來的液態水，其余少量水汽再由分離器除去。這種兩級分離工藝流程設計在國內氣體超聲波流量計的場站中已經得到應用，效果良好。

    （2）投產前干燥管線是天然氣長輸管道干燥的重要保證。天然氣管道投產前的一般程序是試壓→除水→干燥→置換→投產。投產前的管道積水是管道內液態水留存的主要原因。雖然國家規范中未強制規定進行干燥，但由于超聲波氣體流量計較其他氣體流量計對液態水非常敏感，所以管線必須進行干燥。

    （3）加強制度管理，減少人為因素影響。加強對E+H超聲波流量計前設備的排水管理，尤其是對分離器的排污排水管理。現在的分離器均設有排污管，通過人工排除分離出的污水。但如果操作人員管理不到位，積液會導致分離器失效，使液態水隨天然氣進入超聲波氣體流量計而造成計量故障。所以應建立分離器和之前相關設備的巡檢、點檢制度和保養規程，確保及時排除污水。

    （4）定期對E+H流量計進行清洗。根據實際情況，定期取下超聲波換能器進行清洗，除去換能器上的污物和液態水，保證超聲波流量計計量準確。

    4 結語

    由于E+H超聲波氣體流量計在天然氣長輸管線計量中應用時間較短，對液態水的影響理論研究不多，也缺少改進措施的探討和實踐。液態水造成超聲波流量計計量失效或偏大，這需要從設計、施工、投產前準備、投產、日常管理、流程的優化和設備改進等各方面制定措施，防止管道積水和水汽，從而減少液態水的影響，提高計量精度，保證企業與用戶利益。

    參考文獻

    [1]胡建愷，張謙琳1超聲波檢測原理和方法[M]1合肥：中國科學技術大學出版社，19931
    [2]蔣學程，倪建樂1正確選用氣體超聲波流量計[J]1油氣儲運，2006（6）：57-581