DANIEL超声波流量计在西气东输的应用

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ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 ２１ 期
ＤＡＮＩＥＬ 超声波流量计在西气东输的应用
崔 健 张德庆 （ 西气东输苏浙沪管理处 江苏 南京 ２１０００２）
【摘 要】天然气是世界上公认的经济、环保、热效率高的一次能源，在环保日益重要和能源价格高起的今天，其重要性逐渐被世人所认识， 特别是在中央节能环保要求下， 天然气能源的重要性更加显现。２００３ 年 １０ 月正式投产的国家重点工程－ － － 西气东输长输管道， 作为国家天然 气运输的主动脉， 为长江三角洲的广大发达地区提够了大量的天然气能源， 对长江三角的经济发展提供能源支持， 西气东输在大流量的计量交 接中采用了英国 ＤＡＮＩＥＬ 超声波流量计进行计量。本文介绍了英国 ＤＡＮＩＥＬ 超声波流量计的工作原理、组成结构， 安装和维护的方法， 阐述了 英国 ＤＡＮＩＥＬ 超声波流量计在西气东输计量工作应用的重要性。
ｖ＝流 体 速 度 ｃ＝声 速
ｃ＝ Ｌ ｔ１＋ｔ２ ２ ｔ１ｔ２
ｔ１＝上 游 传 输 时 间
ｔ２＝下 游 传 输 时 间
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
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。
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。
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：
ｔ１＝
ｃ－
Ｌ !（ｘ／Ｌ）
（ １）
顺流传播时间：
ｔ２＝
Ｌ ｃ＋!（ｘ／Ｌ）
（ ２）
从（ １） 、（ ２） 方程中求出：
!＝ Ｌ２ ｔ１－ ｔ２ ２ｘ ｔ１ｔ２
图一 时间直通式超声流量计原理图
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
２．ＤＡＮＩＥＬ 超声波流量计工作原理及流量方程 ２．１．工 作 原 理
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
图三 Ｔ－ Ｓ ｌｏｔ 型超声波探头
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。 ３．３ＭＡＲＫＩＩ 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 ＡＧＡ ８ 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；
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
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
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。
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：
Ｖｎ＝
Ｌ２ ２ｘ
ｔ１－ ｔ２ ｔ１ｔ２
４
! Ｖａ!ｇ＝ ＷｎＶｎ ｎ＝１
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。
图二 多通道流量计的权重因子
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。
（ 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） Ｇａｉｎ ｓｅｔｔｉｎｇ ｕｐｓｔｒｍ：各 声 道 信 号 上行的增益， Ｇａｉｎ ｓｅｔｔｉｎｇ ｄｎｓｔｒｍ：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 Ｓｉｇｎａｌ ｍａｘ ｕｐｓｔｒｍ：表示各声道上行的质 量， Ｓｉｇｎａｌ ｍａｘ ｄｎｓｔｒｍ：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。 Ｎｏｉｓｅ ｍａｘ ｕｐｓｔｒｍ：表示各声道上行传输的噪声， Ｎｏｉｓｅ ｍａｘ ｄｎｓｔｒｍ： 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 Ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ 为 各 声 道 当时的流速。Ｓｏｕｎｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ 为当时的声道声速。ＡＶＧ Ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ 为 各声道当时的平均流速。ＡＶＧ Ｓｏｕｎｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ 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－ ｂｉｔ ８０４８６ ＤＸ２ ＣＰＵ，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（ 下转第 ３７ 页）