本文闡述了外夾式超聲波流量計(jì)計(jì)量高含硫天然氣過(guò)程中，利用噪聲跟蹤方法及測(cè)量方法對(duì)計(jì)量進(jìn)行優(yōu)化，解決了因 為氣質(zhì)、組分、安裝形成的噪聲對(duì)天然氣計(jì)量帶來(lái)的誤差，提高了計(jì)量的精度與穩(wěn)定性。

1.計(jì)量原理、背景及意義

高含硫天然氣在地面管道的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中由于管道內(nèi)附 硫及雜質(zhì)較多，介質(zhì)呈現(xiàn)多相流狀態(tài)，其計(jì)量方法一直是一 個(gè)國(guó)際難題。與傳統(tǒng)的孔板、渦輪等流量計(jì)量方式相比，外 夾式超聲流量計(jì)具有計(jì)量精度高、受氣質(zhì)條件影響小、無(wú)安 全隱患、不產(chǎn)生節(jié)流、壓損等優(yōu)勢(shì)，適于高含硫天然氣計(jì)量。

外夾式超聲波流量計(jì)測(cè)量原理和普通超聲波流量計(jì)一 致，是利用超聲波信號(hào)來(lái)測(cè)量流體流速，換算出流量的速度 式流量?jī)x表。其特點(diǎn)是在管道上外夾安裝，與介質(zhì)不接觸， 不受介質(zhì)影響，無(wú)需切斷工藝管道，無(wú)泄漏隱患，方便安全。

基于超聲波流量計(jì)工作原理是超聲波在介質(zhì)中傳播速 度之差來(lái)計(jì)量流速。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)間是流量計(jì)進(jìn)行 流量計(jì)算的主要參數(shù)之一，超聲換能器對(duì)超聲波的收發(fā)決定 了傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性。在測(cè)量高含硫天然氣過(guò)程中，超 聲波在兩種介質(zhì)中傳播的聲速有很大差異，衰減程度也不同， 導(dǎo)致?lián)Q能器通過(guò)收發(fā)超聲波計(jì)算其傳播時(shí)間出現(xiàn)干擾，信號(hào) 紊亂，影響測(cè)量準(zhǔn)確性。為保證超聲流量計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量， 主要從三個(gè)方面進(jìn)行控制：噪聲數(shù)字信號(hào)處理、選擇正確安 裝位置和正確選型。本文主要提出了利用噪聲跟蹤的方法， 并結(jié)合外夾式超聲波流量計(jì)的安裝位置和選型等從三個(gè)方 面優(yōu)化超聲波流量計(jì)計(jì)量過(guò)程中的聲波信號(hào)，根據(jù)聲波在不 同介質(zhì)中傳播的聲速和衰減程度變化進(jìn)行修正統(tǒng)計(jì)。

2.聲波信號(hào)的準(zhǔn)確獲取與噪聲跟蹤

2.1噪聲跟蹤進(jìn)行修正

測(cè)量多相流時(shí)，由于天然氣聲波信號(hào)會(huì)受到各種因素的 干擾，因此進(jìn)行噪聲跟蹤對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化與剔除處理。 本文選用FLEXIM型號(hào)為G608的兩臺(tái)外夾式超聲波流量計(jì)進(jìn) 行了噪聲跟蹤法優(yōu)化測(cè)量混相流的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用噪聲跟蹤 將噪聲信號(hào)剔除，消除噪聲影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，見下圖。

實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)超聲波流量計(jì)同時(shí)測(cè)量管徑為413mm 的同根管段，測(cè)量介質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)天然氣，一臺(tái)采用了噪聲跟蹤 法，另一臺(tái)沒(méi)有采用此方法。在時(shí)間軸2.40分，在測(cè)量點(diǎn) 上游持續(xù)加入約10%的液體及固體顆粒，圖（A)中沒(méi)有采 用噪聲跟蹤法的超聲波信號(hào)質(zhì)量出現(xiàn)紊亂，信噪比跌到0 dB， 無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。圖（B)中采用了噪聲跟蹤法持續(xù)保持了信 號(hào)的穩(wěn)定，信噪比保持在40 dB以上，和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行了 比對(duì)數(shù)據(jù)吻合，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確測(cè)量。

2.1.1時(shí)間到達(dá)差異的修正

處于多相流狀態(tài)液體小于10%時(shí)，在測(cè)量數(shù)據(jù)中會(huì)出 現(xiàn)一些離散值。針對(duì)這一結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的Grabbs法 剔除其中的離散值后再求平均值，使計(jì)算值更接近實(shí)際值。

2.1. 2聲道角變化影響的修正

根據(jù)斯那爾（Snall)定律式，聲道角e隨流體中聲速c 的變化而變化，而e又是超聲波在流體傳播中傳播時(shí)間的重 要函數(shù)，因此，必須對(duì)e角進(jìn)行自動(dòng)跟蹤修正，以達(dá)到傳播 時(shí)間補(bǔ)償?shù)哪康摹?/span>

2.2正確的安裝位置及方法

正確選擇測(cè)量點(diǎn)，是減少附加比對(duì)測(cè)試誤差的前提條件。 為此必須做到以下兩點(diǎn)：一是測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選擇在管道上游10 倍以上、下游5倍以上管徑長(zhǎng)度的直管段上，測(cè)量點(diǎn)處應(yīng)無(wú) 焊縫、無(wú)振動(dòng)及無(wú)電磁干擾源等；二是由流量計(jì)安裝單位提 供詳盡的測(cè)試管道設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)用卡尺或鋼卷尺和超聲波 測(cè)厚儀對(duì)管道外徑及壁厚進(jìn)行復(fù)核，為減小誤差，管道外徑 及壁厚應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量后取其平均值。

對(duì)換能器安裝方法的選擇原則一般是：當(dāng)流體沿管軸 線平行流動(dòng)時(shí)，對(duì)大管徑測(cè)量，采用Z型安裝，以增強(qiáng)接 收信號(hào)的強(qiáng)度；對(duì)小口徑管道來(lái)說(shuō)，采用V型或W型安 裝，以增加聲程。當(dāng)流動(dòng)方向與管鈾線不平行時(shí)，采用X法。 當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻而表前直管段又較短時(shí)，可采用多聲道來(lái) 克服流速擾動(dòng)帶來(lái)的流量測(cè)量誤差。單通道流量計(jì)是按氣體 通過(guò)管道的流速差，用修正系數(shù)修正氣體的流速。多通道流 量計(jì)使用多對(duì)傳感器，在管道內(nèi)的不同區(qū)域取得氣體流速， 再確定出真正的平均流速。一些多通道的流量計(jì)設(shè)計(jì)有測(cè)量 非軸線流分量的通道，只要使用非同一平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式， 最后可達(dá)到修正補(bǔ)償。

2.3正確的選型

在一般流速下超聲波在不同介質(zhì)中的傳播時(shí)間差只有 幾百納秒（隨管徑的不同而不同），所以設(shè)備響應(yīng)必須在 80ms以下，才能保證有較高的測(cè)量精度，同時(shí)設(shè)備必需具 有雙通道功能，流量計(jì)計(jì)算機(jī)需內(nèi)置雙高速處理器，第一處 理器連續(xù)高速采樣測(cè)量(頻率1000 Hz),原始數(shù)據(jù)保存在傳 感器緩存中，由第二處理器設(shè)定測(cè)量過(guò)程及分析原始數(shù)據(jù), 剔除無(wú)效的原始數(shù)據(jù)。高速采樣和自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)，才 能確保測(cè)量精確穩(wěn)定。