超聲流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性直接影響供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益，而管路結(jié)構(gòu)是影響超聲流量計(jì)計(jì)量性能的主要因素。文章研究調(diào)壓閥、匯管、流動調(diào)整器、直管段等管路元件對天然氣流場的擾動規(guī)律，表明調(diào)壓閥噪聲、匯管相對進(jìn)出口方式、流動調(diào)整器類型、直管段長度對超聲流量計(jì)計(jì)量精度產(chǎn)生較大影響，在此基礎(chǔ)上提出改善超聲流量計(jì)計(jì)量性能的技術(shù)對策。

隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，天然氣計(jì)量工作越來越重要。在天然氣計(jì)量工作中，超聲流量計(jì)由于其計(jì)量、量程比寬、壓損低、安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于維護(hù)的特點(diǎn)，在天然氣計(jì)量交接中被廣泛使用，特別是在大口徑、高壓力的天然氣長輸管線計(jì)量中，超聲流量計(jì)具有顯著地優(yōu)越性。超聲流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著開發(fā)、供給、運(yùn)行、用戶各方面的經(jīng)濟(jì)利益，而管路結(jié)構(gòu)是影響超聲流量計(jì)計(jì)量性能的主要因素。因此，本文以調(diào)壓閥、匯管、流動調(diào)整器、直管段為研究對象，分析管路元件對天然氣流場影響，探索管路結(jié)構(gòu)對超聲流量計(jì)計(jì)量能量影響規(guī)律，為保證超聲流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性提出合理化建議。

1.管路元件的影響

1.1調(diào)壓閥

調(diào)壓閥是通過改變流體流通面積而實(shí)現(xiàn)對流體流量和壓力的調(diào)節(jié)。調(diào)壓閥是阻流元件，當(dāng)流體流過調(diào)壓閥的節(jié)流元件時(shí)，由于節(jié)流元件的阻流作用，對天然氣產(chǎn)生擾動，流體流態(tài)發(fā)生畸變，局部產(chǎn)生漩渦流和脈動流。

 超聲流量計(jì)是通過測量高頻聲脈沖在管道內(nèi)順流和逆流方向傳播時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)天然氣流量計(jì)量。流體通過調(diào)壓閥節(jié)流元件，因流態(tài)和速度發(fā)生改變產(chǎn)生噪聲，噪聲主要包括流體動力學(xué)噪聲和機(jī)械噪聲。機(jī)械噪聲是由于流體流態(tài)改變產(chǎn)生漩渦和湍流沖擊調(diào)壓閥部件而引起振動，波及臨近表面產(chǎn)生噪音。流體動力學(xué)噪聲是天然氣在節(jié)流過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能的直接結(jié)果，是調(diào)壓閥噪聲主要來源。正常情況下，超聲波流量計(jì)發(fā)出的脈沖信號頻率為 125 kHz(不同型號超聲流量計(jì)有所不同)。天然氣通過調(diào)壓閥節(jié)流作用產(chǎn)生的噪聲頻率為 16~130 kHz，產(chǎn)生的噪聲沿著管道向上、下游傳播，在一定條件下與超聲波流量計(jì)的脈沖頻率重合，造成流量計(jì)計(jì)量信號模糊，使流量信噪比增大。流量計(jì)的信號處理單元難以區(qū)分這兩種信號，導(dǎo)致超聲波換能器不能準(zhǔn)確收發(fā)超聲波，影響超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)研究表明，高頻率噪聲可使超聲流量計(jì)產(chǎn)生的***大誤差為 2 %，這嚴(yán)重影響天然氣計(jì)量準(zhǔn)確性和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 匯管

匯管是將兩條管路或兩條以上管路，同時(shí)經(jīng)過一條管路后再分開輸送的一段管道(如圖 1)。由于匯管與下游直管段交匯處結(jié)構(gòu)突變，天然氣壓能與動能相互轉(zhuǎn)化，流經(jīng)匯管天然氣速度增大，流場內(nèi)速度主要分布在匯管與下游管道交匯處，且此處的速度值均發(fā)生了突變，湍流強(qiáng)度和湍動能為整個(gè)流場內(nèi)***大。湍流內(nèi)流體介質(zhì)發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動，介質(zhì)相互碰撞，能量相互交換，局部出現(xiàn)漩渦流和脈動流，造成匯管下游速度分布不均勻，管道壁面流體流速慢，中心處流體流速快，管道內(nèi)出現(xiàn)二次流。

匯管進(jìn)出口方式影響超聲流量計(jì)計(jì)量性能。研究表明，匯管進(jìn)出口錯(cuò)開流體恢復(fù)到充分發(fā)展湍流斷面比匯管進(jìn)出口相對所需直管段長。天然氣流經(jīng)匯管后產(chǎn)生漩渦流，匯管進(jìn)出口方式不同，匯管下游旋渦角變化規(guī)律也不同(如表 1)。在匯管進(jìn)出口相對的管路結(jié)構(gòu)的擾動情況明顯弱于匯管進(jìn)出口錯(cuò)開管路結(jié)構(gòu)。匯管進(jìn)出口錯(cuò)開條件下，管路內(nèi)的天然氣因?yàn)楣苈方Y(jié)構(gòu)、壓力、速度等因素的變化產(chǎn)生回流，使天然氣的擾動增強(qiáng)，速度分布不均勻，在超聲流量計(jì)處的擾動仍然較強(qiáng)，對流量計(jì)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生一定的影響。

1.3 流動調(diào)整器

天然氣流過匯管、調(diào)壓閥等阻流件后會造成流態(tài)畸變，流態(tài)畸變包括速度分布剖面不對稱和漩渦流，或兩者的組合。流體畸變可造成超聲流量計(jì)計(jì)量誤差。超聲流量計(jì)計(jì)量要求上游流體流動狀態(tài)為近似于無漩渦和充分發(fā)展的湍流。流動調(diào)整器能***大限度地減小或消除流態(tài)畸變對流量計(jì)性能產(chǎn)生的不利影響。

流動調(diào)整器是一種“調(diào)整”流量計(jì)入口或入口附近流場的裝置。管束式調(diào)整器和板式調(diào)整器在計(jì)量中經(jīng)常使用。管束式調(diào)整器采用蜂窩式結(jié)構(gòu)或管束把流體分成若干個(gè)細(xì)小平行的流體束，主要消除流體中的漩渦。板式調(diào)整器讓流體通過多孔網(wǎng)或多孔板而產(chǎn)生一個(gè)軸對稱的速度分布剖面。即使流量計(jì)入口的流場是充分發(fā)展的湍流，流量計(jì)的性能也會因?yàn)槭褂貌煌问降牧鲃诱{(diào)整器而發(fā)生改變。對于超聲流量計(jì)而言，宜選用板式調(diào)整器消除流體中的漩渦和糾正速度分布剖面不對稱。性能優(yōu)良的流動調(diào)整器可以改善進(jìn)入超聲流量計(jì)的流體流態(tài)，優(yōu)化流動條件，從而提高超聲流量計(jì)計(jì)量性能。

1.4直管段

超聲流量計(jì)的計(jì)量系數(shù)是在充分發(fā)展的管流條件下標(biāo)定的，在現(xiàn)場天然氣計(jì)量中，只有在充分發(fā)展的管流條件下，才能保證測量的性。充分發(fā)展的管流就是具有充分發(fā)展、均勻的速度分布的管流。在流動過程中，沿流向從一個(gè)橫截面到另一個(gè)橫截面速度分布不發(fā)生改變。流體發(fā)展為充分發(fā)展流體需要在足夠長的管道末端才能形成。國標(biāo) JJG 1030-2007 明確規(guī)定在不安裝流動調(diào)整器的情況下，多聲道超聲流量計(jì)上游直管段長度至少為 10DN(DN 為流量計(jì)內(nèi)徑)，下游直管段長度至少為 5DN；或根據(jù)流量計(jì)生產(chǎn)廠家的要求選擇合適的上、下游直管段。

直管段長度直接影響超聲流量計(jì)計(jì)量穩(wěn)定性，直管段長度不足時(shí)流量測量不確定度相應(yīng)增大，但是引起的附加誤差是正向還是負(fù)向，需要具體分析。提供了 PROTAFLOW-X超聲流量計(jì)上游直管段不足引起的附加誤差曲線(如圖 2)。實(shí)驗(yàn)為上游有 90°彎管條件下測量的不同直管段長度誤差，由圖 2 可知，隨著上游直管段長度的增加，超聲流量計(jì)計(jì)量誤差逐漸減小。當(dāng)上游管道為 15DN 時(shí)，計(jì)量誤差約為 0.5 %，達(dá)到高精度。

2.結(jié)論與建議

管路結(jié)構(gòu)對超聲流量計(jì)計(jì)量性能產(chǎn)生影響，主要是管路結(jié)構(gòu)對天然氣產(chǎn)生擾動，天然氣流經(jīng)阻流件后，天然氣流態(tài)發(fā)生畸變，流動伴隨著漩渦、二次流，速度分布不對稱。為保證超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性，提出以下建議；

(1)改變調(diào)壓計(jì)量工藝流程，采用“先計(jì)量，后調(diào)壓”的計(jì)量方式。將超聲流量計(jì)安裝在調(diào)壓閥上游，有效避免了調(diào)壓閥對流體的擾動。超聲流量計(jì)與調(diào)壓閥之間安裝“T”型管和 90°彎頭，有效降低節(jié)流噪聲對超聲流量計(jì)的影響。

(2)匯管采用開口模壓拔制結(jié)構(gòu)。開口模壓拔制結(jié)構(gòu)使匯管出口管段過渡平緩，流體阻力小，有效的減少了流體的湍流強(qiáng)度。

(3)合理選擇流動調(diào)整器，超聲流量計(jì)宜選用板式調(diào)整器，板式調(diào)整器消除流體中的漩渦和糾正速度分布剖面不對稱，提高超聲流量計(jì)計(jì)量性。

(4)保證超聲流量計(jì)上、下游直管段長度，在上游無整流器條件下，多聲道超聲流量計(jì)上游直管段長度至少為 10DN(DN 為流量計(jì)內(nèi)徑)，下游直管段長度至少為 5DN；或根據(jù)流量計(jì)生產(chǎn)廠家的要求選擇合適的上、下游直管段。保證超聲流量計(jì)前流體是充分發(fā)展的湍流。