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    2. DANIEL超聲波流量計(jì)工作原理及流量方程

    2.1. 工作原理

 

    DANIEL超聲波流量計(jì)是時(shí)間直通式超聲流量計(jì)，聲波由一個(gè)探頭發(fā)射另一個(gè)接收，不經(jīng)管壁反射，聲波由上游向下游傳輸?shù)臅r(shí)間(由于聲波被氣流推動(dòng))小于聲波由下游向上游傳輸?shù)臅r(shí)間(聲波被氣流反向阻擋)，這兩個(gè)時(shí)間之差與氣流的速度存在某種對(duì)于關(guān)系，從上、下游測(cè)得的傳輸時(shí)間可以計(jì)算出氣流的平均速度和聲波的速度。如圖一。

    2.2. 流量方程

    2.2.1. 任意一對(duì)傳感器的流量方程

    逆流傳播時(shí)間：

    (1)

    順流傳播時(shí)間：

    (2)

    從(1)、(2)方程中求出：

 

    2.2.2. 四聲道超聲波流量計(jì)流量方程美國(guó)Daniel公司生產(chǎn)的四聲道高級(jí)超聲波流量計(jì)，四組對(duì)射傳感器呈“X”型分布，使之更有利于渦流或偏流等流態(tài)的測(cè)量。這種四聲道超聲波流量計(jì)利用測(cè)量在四個(gè)并行通道上超聲波通過流動(dòng)氣體的傳輸時(shí)間，以精確獲得氣體的平均流速。

    四聲道超聲波流量計(jì)所測(cè)流體平均速度的計(jì)算是在單聲道流量計(jì)的基礎(chǔ)上得出的：

 

    式中Wn為權(quán)重幾何因子。權(quán)重因子僅取決于探頭的幾何分布情況，如圖二所示。

 

    2.2.3. 流量流量與流體的流速和截面積有關(guān)：

    流量Q=流速V×截面積S

    3. DANIEL超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)(帶MARKII電子單元)

    DANIEL超聲波流量計(jì)主要由超聲波本體、超聲波探頭、MARKII電子單元三部分組成。

    3.1 超聲波本體流量計(jì)本體采用整體鑄造鋼制表體，減少焊縫接口，有效減少表體熱脹冷縮對(duì)計(jì)量的影響。

    3.2 超聲波探頭DANIEL超聲波流量計(jì)采用了T-Slot型超聲波探頭，如圖三所示。

 

    T-Slot型超聲波探頭主要有四個(gè)特點(diǎn)：

    (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)結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢影響，壽命長(zhǎng)。

    3.3 MARKII電子單元MARKII電子單元功能很強(qiáng)大，可以計(jì)算工況流量；可以直接接入溫度和壓力信號(hào)，進(jìn)行溫壓補(bǔ)償運(yùn)算，即不使用流量計(jì)算機(jī)獲得標(biāo)況流量；它可以按AGA8號(hào)報(bào)告粗略計(jì)算壓縮因子；可以進(jìn)行雷諾數(shù)的計(jì)算，用來(lái)矯正流態(tài)剖面對(duì)流量測(cè)量的影響；可以在單通道或雙通道流量計(jì)中進(jìn)行流態(tài)的矯正。在西氣東輸管線上，為了保證得到最準(zhǔn)確的天然氣流量，并沒有使用MARKII電子單元的強(qiáng)大計(jì)算功能。而是只將它作為一個(gè)流速信號(hào)的變送器進(jìn)行輸出，然后由一臺(tái)獨(dú)立的流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行最后的標(biāo)況計(jì)算。

    4. DANIEL超聲波流量計(jì)的安裝

    4.1 安裝環(huán)境

    4.1.1 根據(jù)安裝點(diǎn)具體的環(huán)境及工作條件，對(duì)流量計(jì)采取必要的隔熱、防凍及其他保護(hù)措施。

    4.1.2 流量計(jì)的安裝盡可能避開振動(dòng)環(huán)境，尤其是可引起信號(hào)處理單元、超聲換能器等部件發(fā)生共振的環(huán)境。

    4.1.3 在安裝流量計(jì)及其相關(guān)的連接導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)避免可能存在較強(qiáng)電磁或電子干擾、遠(yuǎn)離噪聲源或采取措施消除噪聲干擾、以及避免脈動(dòng)流的干擾。

    4.2 上、下游直管段的安裝管道內(nèi)的流體流態(tài)對(duì)流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確影響很大，雖然DANIEL超聲波流量計(jì)采用了四聲道的測(cè)量原理，可以對(duì)旋渦和不同流態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但是為了得到計(jì)量的高準(zhǔn)確度，減少測(cè)量的誤差，在流量計(jì)上、下游安裝一定長(zhǎng)度的直管段是必備要求。上、下游直管段越長(zhǎng)，流態(tài)就越理想，流量計(jì)的測(cè)量精度就越高。但是，由于受到場(chǎng)地和成本等因素的影響，直管段又不能做的太長(zhǎng)。因此，DANIEL超聲波流量計(jì)安裝要求上游至少保留30D的距離，下游為5D的距離。

    4.3 直管段內(nèi)徑及法蘭連接為了避免流量計(jì)本體內(nèi)徑與上、下游直管段法蘭連接所產(chǎn)生的臺(tái)階對(duì)流態(tài)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致計(jì)量誤差加大。安裝時(shí)要求上、下游直管段內(nèi)徑與超聲波流量計(jì)的內(nèi)徑之差小于超聲波流量計(jì)內(nèi)徑的1%，其絕對(duì)值應(yīng)小于5mm。

    4.4 溫度變送器的安裝溫度是計(jì)算管道中天然氣壓縮因子的一個(gè)重要變量，對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度直接影響到流量計(jì)最終的測(cè)量結(jié)果。為了測(cè)量準(zhǔn)確的溫度值，需要溫度傳感器有足夠的插入深度來(lái)和天然氣有充分的接觸面積。但是，插入的深度不能對(duì)氣體流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，DANIEL超聲波流量計(jì)要求溫度變送器的安裝位子應(yīng)該在流量計(jì)的下游3-5D范圍內(nèi)，傳感器插入深度大于75mm，測(cè)溫點(diǎn)在管道的中心附近。DANIEL超聲波流量計(jì)采用的是具有HART通訊功能的溫度變送器。

    4.5 壓力變送器的安裝壓力變送器在超聲波流量計(jì)本體取壓。在流量計(jì)本體上有取壓口。DANIEL超聲波流量計(jì)采用了絕壓變送
器，因此，在流量計(jì)算機(jī)中輸入的大氣壓力為0。DANIEL超聲波流量計(jì)采用的壓力變送器具有HART通訊功能。

    DANIEL超聲波流量計(jì)在西氣東輸?shù)姆州斦局?，采用了整體撬體的安裝模式，配合站內(nèi)的整體流程工藝，均采用水平安裝，沒有選用整流器和氣體過濾器。

    5. 運(yùn)行及維護(hù)

    5.1 流量計(jì)的運(yùn)行

    5.1.1 西氣東輸選用的DANIEL超聲波流量計(jì)投入使用前，在美國(guó)進(jìn)行了檢定和實(shí)流校準(zhǔn)。

    5.1.2 DANIEL超聲波流量計(jì)在投產(chǎn)前進(jìn)行了試壓操作，試壓等級(jí)為10MPa，并且進(jìn)行了密封試驗(yàn)。

    5.1.3 規(guī)定DANIEL超聲波流量計(jì)每2年檢定1次。

    5.1.4 超聲波流量計(jì)在使用前，在無(wú)流動(dòng)介質(zhì)的情況下，檢查流量計(jì)的讀數(shù)是否為零或在流量計(jì)本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

    5.1.5 在運(yùn)行前，為了避免流量計(jì)承受過高差壓或過高流速，管道要緩慢加壓，直至達(dá)到流量計(jì)的運(yùn)行壓力。壓力的劇烈震蕩或不當(dāng)?shù)母咚偌訅憾紩?huì)損壞流量計(jì)。

    5.1.6 超聲波流量計(jì)最高流速不超過30m/s。

    5.1.7 管道掃線時(shí)，應(yīng)將流量計(jì)拆除，以直通短管代替，掃線作業(yè)完成后再安裝流量計(jì)。流量計(jì)在進(jìn)行拆卸和從管線移走之前，管線必須先卸壓和氮?dú)庵脫Q。管線卸壓要緩慢進(jìn)行，以免損壞流量計(jì)。

    5.1.8 由于超聲波流量計(jì)對(duì)水分比較敏感，因此要盡量保證管道干燥，及時(shí)排出分離器中的污水。

    5.1.9 在啟動(dòng)運(yùn)行超聲波流量計(jì)之前必須進(jìn)行如下關(guān)鍵性的檢查：

    (1)對(duì)流量計(jì)的測(cè)量管段進(jìn)行充壓，檢查所有的法蘭連接處和引壓接頭，以及溫度傳感器的插入接頭處，確認(rèn)無(wú)任何氣體泄漏現(xiàn)象。

    (2)暫時(shí)先斷開供電電源與所有電路板的連接；

    (3)接通流量計(jì)的供電電源；

    (4)檢查現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)接線端子板上的供電電壓；

    (5)檢查供電電源的極性；

    (6)如果按第(4)與(5)所執(zhí)行的檢查都確認(rèn)無(wú)誤后，把剛剛斷開的電源與電路板的連接重新接好；

    (7)檢查接到RS485/232轉(zhuǎn)換器的頻率輸出引線的極性；

    (8)檢查氣體超聲流量計(jì)、溫度/壓力變送器安裝是否正確、可靠，包括流量計(jì)的安裝方向、垂直度；所有連接部位的密封性能；

    (9)使用HART編程器為溫度、壓力變送器設(shè)定地址；(相關(guān)通訊)

    (10)依照生產(chǎn)廠家所提供的系統(tǒng)接線圖，核對(duì)所有接線。
   5.2 流量計(jì)的維護(hù)由于超聲流量計(jì)是一種無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)節(jié)流件，無(wú)引壓/引流管路的純電子產(chǎn)品，不存在部件磨損和堵塞的問題，應(yīng)定期檢查信號(hào)處理單元和聲道有無(wú)故障、零流量測(cè)量是否準(zhǔn)確、超聲換能器表面是否有沉積物等，以降低故障的發(fā)生率，提高設(shè)備使用壽命。
    5.2.1 軟件診斷DANIEL超聲波流量計(jì)在日常的維護(hù)工作中有以下幾個(gè)重要參數(shù)，利用DANIEL超聲波流量計(jì)的診斷軟件DUI可以查找到這些參數(shù)。
  5.2.1.1 每個(gè)聲道的增益(AGC)Gainsettingupstrm：各聲道信號(hào)上行的增益，Gainsettingdnstrm：各聲道信號(hào)下行的增益。增益的最大值為180，當(dāng)測(cè)的值大于170即視為不正常。一般160以下為正常值。如果增益大于160，要檢查是否是由管道壓力過低、或者傳感器臟污造成的。
   5.2.1.2 信號(hào)質(zhì)量與噪音Signalmaxupstrm：表示各聲道上行的質(zhì)量，Signalmaxdnstrm：表示各聲道下行的質(zhì)量，該數(shù)字越大，表示信號(hào)質(zhì)量越高。正常的信號(hào)質(zhì)量應(yīng)該在五位以上。
  Noisemaxupstrm：表示各聲道上行傳輸?shù)脑肼?，Noisemaxdnstrm：表示各聲道下行傳輸?shù)脑肼?。該?shù)值越小，表示噪聲越小，也表示流量計(jì)工作正常，當(dāng)該數(shù)值大于100之后，說(shuō)明工作不正常，應(yīng)該檢查管道配置。消除噪聲。
   5.2.1.3 流量，聲速，平均流速，工況流速Flowvelocity為各聲道當(dāng)時(shí)的流速。SoundVelocity為當(dāng)時(shí)的聲道聲速。AVGFlowvelocity為各聲道當(dāng)時(shí)的平均流速。AVGSoundVelocity為當(dāng)時(shí)的聲道平均聲速。
   通過對(duì)比對(duì)稱聲道的流量，聲速，平均流速，工況流速，可以直觀的判斷各聲道的工作狀態(tài)。
   5.2.2 日常維護(hù)超聲換能器的檢查、維護(hù)方法及步驟：
    1. 聲波探頭(換能器的)檢查主要是測(cè)量其電阻值，其應(yīng)為1毆姆左右，開路或短路則表明探頭可能損壞。
    2. 換能器拆卸有帶壓拆卸和不帶壓拆卸兩種方式：
   (1)不帶壓拆卸：無(wú)需專用工具。關(guān)斷流量計(jì)前后閥門，將閥門間的氣體排出，觀察現(xiàn)場(chǎng)壓力表，當(dāng)壓力為零時(shí)方可拆卸。擰下罩殼上的螺絲，拆下罩殼。擰下露出的螺絲，拔下聯(lián)線插頭。用活扳手逆時(shí)針擰下探頭。
   (2)帶壓拆卸：應(yīng)使用廠家提供的專用工具，并由經(jīng)培訓(xùn)的專門人員操作。操作步驟詳見帶壓拆卸專用工具使用說(shuō)明書。
對(duì)拆卸下的探頭進(jìn)行外觀檢察，并使用干布擦去探頭上的污垢。
    3. 小流量切除由于管道內(nèi)氣流的撞擊，會(huì)造成超聲波流量計(jì)的誤判斷，產(chǎn)生一個(gè)不真實(shí)的流量，所以需要利用流量計(jì)算機(jī)的小流量切除功能將低于工況1立方米每小時(shí)的流量進(jìn)行切除。
    4. 定期清潔超聲波流量計(jì)前后的直管段。
    5. 氣體超聲流量計(jì)長(zhǎng)期不計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)斷電，當(dāng)短期不計(jì)量而管道內(nèi)壓力低于工作壓力時(shí)，系統(tǒng)也應(yīng)立即斷電，以延長(zhǎng)氣體超聲流量計(jì)的系統(tǒng)使用壽命。
    6. DANIEL超聲波流量計(jì)的配套流量計(jì)算機(jī)
    西氣東輸應(yīng)用的DANIEL超聲波流量計(jì)選用的是DANIEL公司的S600流量計(jì)算機(jī)。西氣東輸選用的S600流量計(jì)算機(jī)主要由3塊板
卡組成：CPU板、HART板、I/O板。
    CPU板采用了32-bit80486DX2CPU，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能。同時(shí)，還具有強(qiáng)大的通訊功能：具有2個(gè)RS232通訊接口，用于連接打印機(jī)或RTU；具有3個(gè)RS422/RS485通訊接口，用于連接SCADA系統(tǒng)(Modbus協(xié)議)；并且，可以通過FTP和TCP/IP連接到以太網(wǎng)。DANIEL超聲波流量計(jì)測(cè)得的工況流量數(shù)據(jù)就是通過RS485接口傳送到S600流量計(jì)算機(jī)上的。同時(shí)，由色譜分析儀測(cè)出的天然氣氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)也傳輸?shù)絊600流量計(jì)算機(jī)上。
    HART板主要功能就是讀取壓力變送器和溫度變送器測(cè)得的壓力、溫度值。
    I/O板，將S600流量計(jì)算機(jī)計(jì)算得出的重要參數(shù)傳輸?shù)絊CADA用于在站控機(jī)上顯示讀取。
    這樣，S600流量計(jì)算機(jī)從現(xiàn)場(chǎng)讀取到的工況流量、壓力、溫度和氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)通過其強(qiáng)大的計(jì)算功能，最后準(zhǔn)確計(jì)算出用于計(jì)量交接的天然氣標(biāo)況流量。
    7. 結(jié)束語(yǔ)
    西氣東輸管線在大流量的計(jì)量工作中，主要采用了英國(guó)DANIEL超聲波流量計(jì)，高準(zhǔn)確度的進(jìn)行了與下游用戶的計(jì)量交接。本文通過對(duì)DANIEL超聲波流量計(jì)原理、計(jì)算、結(jié)構(gòu)、使用和維護(hù)的介紹，明確DANIEL超聲波流量計(jì)在計(jì)量中的重要性。它具有的測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、無(wú)壓損、無(wú)磨損部件、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)和較低的安裝成本和運(yùn)行成本，在西氣東輸高壓、大流量的天然氣計(jì)量中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。